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氦气发现150周年——小小氦气竟有大用途

2019-09-25

 装满惰性气体的玻璃管受到高强度电流激发,会发出不同颜色和强度的光线。图中从左至右分别为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气。

  氦的价格相对来说并不贵。很多工业应用根本找不到更合适的替代品。对航天、国防科技、高科技制造业、火箭引擎测试、焊接、商业潜水、粒子加速器磁铁、光纤、半导体芯片而言,氦气的作用都不可或缺。

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  然而,氦气最重要的用途还当属医学成像,尤其是磁共振成像技术(MRI),以及利用高强度磁场的核磁共振技术(NMR)。若不是因为氦气沸点极低,这些技术都不可能诞生。


  超导体材料是磁共振和核磁共振设备的关键,而这些材料在4.2开尔文的温度下才能保持稳定。电子从材料中流过、产生电流时,大多数材料都会产生电阻,这对磁装置而言是一大问题。大家使用的每一样电子设备、以及运输电力的所有基础设施都会因为电阻损失能量。由于电阻的存在,很难用高强度电流产生高强磁场。然而超导体却不会阻碍电子的流动,因此能产生极强的磁场,可以进行高分辨率医学成像。但超导体材料要想发挥正常功能,就必须被放置在超低温环境中。这也正是液氦不可或缺的原因。


  氦与超导体


  把一圈导线缠绕在特制的超导材料上,再将其放置在液氦中,冷却至4.2开尔文、甚至更低,便可达到超导体所需的特殊温度条件,再向线圈中通入高强度电流。目前最 大的稳定磁场位于美国佛罗里达大学国家高强磁场实验室,由一块超导磁铁产生,磁场强度足足高达地球磁场的150万倍。


  科学家们会利用核磁共振技术分析实验室中发现的新材料的物理特性。有些材料后来被研发成了药品,如能够解决全球健康问题的新型抗生素;有些则被研发成了能够回收利用的绿色建筑材料。能源领域也取得了不少进步,研发出了更小、更便携、能量更高的电池,或可减少大家对碳燃料的依赖。但核磁共振技术目前仍需要大量液氦,这点在短时间内暂时无法改变。


磁共振扫描是一种至关重要的医学成像工具。该设备可以产生极强的磁场,但必须用液氦将其中的超导体元件保持在超低温状态下。  磁共振扫描是一种至关重要的医学成像工具。该设备可以产生极强的磁场,但必须用液氦将其中的超导体元件保持在超低温状态下。

  幸运的是,大家已经知道了如何更好地保护剩下的氦储备,并且在不断发现新的氦气池。大家明白了如何在氦逃逸到太空中之前予以回收利用,也开始研究能够在更高温度下运行的超导体。这些工作都费时费力、成本高昂,而且回收氦还需要大量化石能源提供的能量。


  与此同时,大家还要寻找更多的氦气来源,并找到更好的回收途径。大家可以从少买几个氦气球这样的小事做起。下次放飞氦气球之前,不妨三思而后行。


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