高科技產業的不斷建立和相應技術的發展, 使氦這種性能獨特的物質越來越多地應用於科技和生產各個領域, 人們對這種物質也有了更多的了解。

氦和液氦

      氦元素的存在是由法國天文學家皮亞J. C. 詹森( Pierre J. C. Janssen) 於100多年前首先發現的。在1868年的一次日蝕期間, 他在研究太陽光譜時發現了一條新的光譜線, 從而確定了一種新的物質元素的存在並將其命名為“Helium”,中文譯為“氦”。此後的研究表明, 氦是一種物性奇特的元素, 它的發現促進了世界科技的發展。自然界的氦實際上由原子質量數為3和4的兩種穩定同位素所組成, 可分別寫成氦3和氦4。

      大氣中的含氦量很低, 約有百萬分之五, 而氦3則更低, 不超過千萬分之一, 雖說可利用空氣液化技術可將氦分離出來, 但所花代價極大故不經濟。而天然氣中的含氦量遠高於大氣, 所以現時的商品氦均是采天然氣中提取。從天然氣中提取氦3也存在極大的技術難度, 直到五十年代初, 人們利用人工核反應技術才得到稍多一些氦3, 故極為昂貴。與氦4相比, 氦3的含量可說是微不足道, 故常用的商品氦和液氦可以認為就是氦4, 如無特別說明, 一般書籍或文獻資料上所說的“氦”,泛指的就是氦4。

      氦是一種無色、無味的惰性氣體。氦元素與任何其它已知的元素不起化合作用, 與其它各種氣體比較, 其水溶性最低。在標準狀態下, 氦的密度是0. 01785千克/ 立方米, 比重是0. 14( 空氣= 1) , 單位重量僅次於氫元素( 氫的密度是0. 08988千克/ 立方米) 。氦液化後得到的液態氦, 與其它各種低溫液體相比, 其正常沸點最低( 4. 2221K) 。對液氦本身的研究也發現其在一定的條件下與其它液體有著極不相同的奇異特性, 如流動性、超熱導性及氦3與氦4相互滲透時產生吸熱現象( 人們利用這個特性製成稀釋致冷機用於1K 至毫K溫區的低溫研究工作) 等, 在此不作詳述。

      自發現氦元素的存在至最終將其液化而獲得液氦的過程長達40年, 這是因為氦是最難液化的物質, 它的臨界溫度和沸點是所有物質中最低的, 其節流轉化溫度也很低( 約50K) , 這表明, 要將氦液化, 就必須先將氦的溫度降至50K 以下, 若要提高液化率, 還需將節流前的溫度降至15K 或更低。此外, 液氦的汽化潛熱值在各種低溫液體中也是最低的, 故氦的液化工藝對絕熱、換熱等技術條件及材料性能要求較高。

      經多年不懈的努力, 隨著各種技術和工藝條件的不斷完善, 荷蘭物理學家卡麥林翁內斯( Kamer ling h Onnes) 首先成功地將氦液化。這是繼氧、氮、氕、氫等物質之後而最後被液化的物質, 其重大的意義在於人類在科學實踐的進程中得到一種最接近絕對零度( 0 K , - 273. 15℃) 的低溫冷源, 它是進行4. 2K 至接近絕對零度溫區的極低溫研究工作的首要條件。卡麥林翁內斯隨之利用液氦低溫條件開展某些材料的低溫物性研究, 並於1911年發現了超導電性這一奇特的現象。從此, 作為物理學重要分支的低溫物理學得到迅速的發展。

氦和液氦的應用

      世界各國的天然氣資源中含氦量各不相同, 如我國一般隻有千分之二, 而美國則得天獨厚地高達千分之十六, 故美國在氦的生產和貯運、低溫研究及低溫技術等方麵亦居世界先導地位, 同時也促進其綜合科技水平的發展, 尤其是生產和貯運產業實現集約化, 生產成本低而售價低, 因而得到較為普遍的使用, 甚至中學的物理實驗課也可用上液氦。

      美國至今仍是商品氦和液氦的主要出口國。除美國外, 許多國家( 包括我國) 的用氦單位, 尤其是用量較大的單位一般都設置回收係統, 使之能作循環利用而提高經濟效益。

      由於我國天然氣中的含氦量低, 故生產成本高, 售價昂貴, 嚴重地製約其在國民經濟多個領域的應用及相應技術和生產的發展。改革開放後, 高科技產業不斷地建立, 高科技設備不斷引進, 使氦和液氦的需求量不斷增大而導致進口量迅速增加, 售價下降, 隨之也擴展了其應用範圍。

      目前, 除了用於科研和核子工業等領域, 氦和液氦還用於超導電技術的應用方麵, 如作核磁共振成像儀和波譜儀超導磁體的低溫冷源及致冷機的工質。氦還用於特種金屬的冶煉、合金材料的焊接保護、色譜分析、光學器件、示蹤儀器、電子工業和特殊容器與部件的加壓清洗用氣、以及用作潛水呼吸氣和氦質譜檢漏的示蹤氣體等。隨著我國經濟的發展, 空中廣告服務所用的氫氣( 氫是極為危險的燃爆物質) 將會逐步地被氦所取代。

循環利用的技術問題

      相對而言, 氦還是一種售價較高的商品, 這是受自然資源的客觀條件所決定的。對需要長期地使用較大量的液氦和氦的設備或係統來說, 如核磁共振成像儀和用於綜合性空中服務的各種飛艇( 充氦量從幾十至上萬立方米) 設置回收係統是一種有利於提高經濟的技術手段。然而, 回收氦的純度一般隻有90% ～99%, 要作循環利用必須予以再純化。