氦氣在工業(yè)中的應(yīng)用（二）

（三）氦在電光源中的應(yīng)用

氦、氖、氬和汞蒸氣混合可用于充填磷光管。對(duì)于低壓放電管，在清潔的玻璃管內(nèi)，氦產(chǎn)生白黃色的光，氦-氬產(chǎn)生橙色光。氖與氬-氦按不同比例混合，充入各種濾光玻璃管，可制成絢麗多彩的霓虹燈（字模顯示燈）。激光技術(shù)廣泛應(yīng)用氦族氣體。氖-氦連續(xù)激光器廣泛應(yīng)用于功率僅為零點(diǎn)幾瓦應(yīng)用中。貴重氣體離子激光器以非常高的功率密度和在很寬廣的頻率范圍內(nèi)操作。二氧化碳激光器是普通連續(xù)激光器中功率最強(qiáng)和效率最高的，激發(fā)氣體是氦和二氧化碳的混合物。

（四）氦在電光源中的應(yīng)用

電子工業(yè)中，氦氣的最大應(yīng)用是半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)。起始材料，超純半導(dǎo)體的單晶體，如硅和鍺共熔體生長(zhǎng)的過(guò)程利用氦既用為保護(hù)氣又作為傳熱介質(zhì)。只有非常純的惰性氣體（一般要求純度為99.999%~99.999 99%）才可以保證極高的晶體純度。惰性氣體氦還用做摻雜氣（如砷化氫和磷化氫）的稀釋氣和載氣，摻雜氣在半導(dǎo)體器中用來(lái)生成N結(jié)和P結(jié)。

在某些高壓電子管轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和調(diào)整管中也要用到氦。氦-氬混合氣在電子元件封裝等工藝過(guò)程所需的微件焊接中用做保護(hù)氣。用氦氣作半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)載氣體，可以安全地將揮發(fā)性物質(zhì)或氣體混合物從發(fā)生源輸送到擴(kuò)散爐管或反應(yīng)器的工作室。

（五）氦在低溫工程中的應(yīng)用

作為低溫工作介質(zhì)的氣體不僅受到它的沸點(diǎn)和冰點(diǎn)的限制，同時(shí)還必須考慮價(jià)格和安全性。

由于氦的化學(xué)惰性，它在除極低溫度外的所有溫度下都接近理想氣體行為，且單位質(zhì)量的熱容量高，黏度低和熱導(dǎo)率高等特性，所以氣氦通常被用做封閉循環(huán)低溫制冷機(jī)的工作介質(zhì)。

在氫的三相點(diǎn)溫度13.80K以下，僅有氦作為稠密的流體存在，而地更低溫度下，它是惟一保持可觀熱容量的物質(zhì)。液態(tài)氦可以產(chǎn)生供固體物理學(xué)研究所需的極低溫。在常壓下、液氦（⁴He）浴溫度為4.22K左右。利用真空泵抽吸液氦（⁴He）浴上蒸氣，降低氦的蒸氣壓，有可能達(dá)到0.7K的低溫。為了制取0.7K以下的更低溫，可以利用氦的穩(wěn)定同位素3He的某些物理性質(zhì)。在所有給定溫度下，³He的蒸氣壓比⁴He的都要高，因此，用抽吸³He浴上蒸氣以降低其蒸氣壓的辦法，有可能將³He浴溫度降到0.3K。³He的另一特定性質(zhì)是³He和⁴He混合可導(dǎo)致溫度降低的所謂稀釋制冷性，利用這種效應(yīng)可以制成稀釋制冷機(jī)。連續(xù)操作該制冷機(jī)可獲得約8×10^-3K的低溫，間隙操作則可能達(dá)到4.5×10^-3K。Pomeranchuk效應(yīng)，對(duì)液體³He進(jìn)行色熱壓縮，可以達(dá)到³He固化的溫度2×10^-3K，這也是目前采用機(jī)械方法所能達(dá)到的最低溫度。

所有物質(zhì)的蒸氣壓都隨溫度降低而降低，在氦的沸點(diǎn)溫度，僅有氦保持了它的基本蒸氣壓。用低溫表面冷凝氣體以達(dá)到抽氣目的的泵稱(chēng)為冷凝泵或低溫泵。當(dāng)充滿空氣的密閉容器冷卻到20K時(shí)，即可達(dá)到0.16Pa（1.2×10^-3乇）的真空；冷卻到4.2K時(shí)，可過(guò)到6.6×10^-3Pa(5×10^-5乇)的真空。由于低溫泵的冷表面可以直接放在被抽空間中，或本身就是器壁的一部分，沒(méi)有連接管道的影響，冷表面又可以做得很大，因此抽氣速率很高。為了能夠把大空間快速抽成真空狀態(tài)，經(jīng)常使用液氦低溫泵。低溫泵主要用于要求低溫、高真空的大容積的地面模擬宇宙空間，以及要求高速，又非常清潔的控?zé)岷朔磻?yīng)裝置等方面。

在極低溫度下，物質(zhì)的物理性質(zhì)要發(fā)生很大變化。純金屬的導(dǎo)電率隨溫度的降低而增加，當(dāng)它們深度冷卻時(shí)，正常金屬（鋁、銅或鈉）可以作為電磁體并用于電力分配。一些金屬和合金在冷卻到液氦級(jí)溫度時(shí)，從正常的導(dǎo)電體急劇變化為超導(dǎo)體。在超導(dǎo)體狀態(tài)下，對(duì)直流電的電阻完全消失了，對(duì)交流電的電阻變得非常小。當(dāng)材料進(jìn)一步冷卻到它的轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，超導(dǎo)體可以承受的電流密度和磁場(chǎng)急劇增加。因此，在大多數(shù)超導(dǎo)性應(yīng)用中，都希望在最低的實(shí)用溫度下進(jìn)行。

此外，由于很多電子器件中的熱噪聲在低溫下都會(huì)減少，因此，許多無(wú)線電、紅外線和其他輻射檢測(cè)儀器可用氦循環(huán)制冷系統(tǒng)冷卻以增加它們的靈敏度。

（六）氦在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用

第一代氣冷裂變反應(yīng)堆利用僅400℃左右的冷媒溫度，采用價(jià)廉的二氧化碳作為冷媒氣體。為了改善熱效率，第二代反應(yīng)堆設(shè)計(jì)采用高達(dá)790℃的氣體冷媒溫度。在此溫度下，只有氦（⁴He）具有必需的化學(xué)穩(wěn)定性、惰性、高傳熱速率、低動(dòng)力學(xué)壓力損失和低中子有效截面，因此，只能用氦作為冷媒氣體。

聚變能源的開(kāi)發(fā)計(jì)劃開(kāi)辟了氦氣的又一應(yīng)用領(lǐng)域。氦-3是可控核聚變的重要原料，而氦-3在月球上的儲(chǔ)量約有（1~5）×10⁶⁰t。中國(guó)一年的發(fā)電量，大約吸需要最多不超過(guò)10t的氦-3，而全世界的需求約100t多一點(diǎn)。照此計(jì)算，月球完全可以提供人類(lèi)社會(huì)用上萬(wàn)年的能源需求，這是非常誘人的、有巨大前景的一種資源。

此外，磁性等離子體約束法需要大量液氦來(lái)冷卻大型超導(dǎo)磁體和低溫泵。在示蹤粒子檢測(cè)器中，氦是火花室和電子流室常用的充填氣。

（七）氦在空間技術(shù)中的應(yīng)用

在火箭和空間飛行器燃料系統(tǒng)中，氦氣用于清洗低溫燃料和氧化貯槽，以及加壓低溫貯槽液面上部空間，以提供直接輸送液體氫和液體氧的壓力或者僅給輸液泵提供凈吸入正壓，氦常用氣動(dòng)控制系統(tǒng)中作為工作介質(zhì)。在火箭發(fā)射之前，為了在點(diǎn)火的最初幾分鐘內(nèi)得到最大的推進(jìn)效率，低溫氦已用于預(yù)冷上一級(jí)液氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

液氦還廣泛用于低溫輻射檢測(cè)器以及用于空間探索計(jì)劃中其他專(zhuān)門(mén)儀表。

氦氣還用于充填飛行與歡慶氣球，比充氫氣安全。

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