1895年英國化學家威廉.拉姆塞(William Ramsay)從一種含鈾礦物中分離到氦的時候,讓人們認識到地球上也有氦的分布。而且氦是一種惰性氣體,幾乎不能和其他任何元素化合,而且極難液化。
由于氦氣在飛船發(fā)射、導彈武器工業(yè)、低溫超導研究、半導體生產等方面具有重要用途,中國近年來對氦氣的需求量越來越大。但是受制于氦氣資源匱乏、提取氦氣的成本較高,中國在需求上一直依賴進口。
由于美國將氦資源列為戰(zhàn)略儲備資源而限制粗氦產量,美國國內液氦設備大規(guī)模停產,這不僅導致了美國自身在日本長島軍事基地的需氦設備被迫關閉,而且累及到中國的液氦進口,液氦的價格更是一路飆升。分析人士稱中國加強對稀土出口的監(jiān)管后,美國就曾一度威脅以中斷供應氦要挾。
更嚴重的是,液氦的最大消費群體還不在科研機構,而是在醫(yī)院的核磁共振設備。醫(yī)院的核磁共振成像儀的核心大都是超導磁體,只有在液氦的低溫下才能穩(wěn)定運行從而產生穩(wěn)定的磁場,這樣才能保證高分辨率的成像。越是精密的低溫超導成像設備往往消耗的液氦越多,核磁共振成像儀的諸多優(yōu)點讓其成為醫(yī)院不可或缺的診斷工具,然而由于“伴侶商品#p#分頁標題#e#”液氦的短缺,一些醫(yī)院不得不讓它們停止運行。
汽車加了汽油馬上就可以重新上路,但醫(yī)院的核磁共振成像設備一旦停下來,再啟動就不是件很容易的事。首先要注入幾十升的液氦預冷設備,而且很有可能需要重新勻場,超導磁體退磁后重新充磁也要10到15天。等到設備完全正常差不多要等一個月。而且對于儀器來說,超導磁體的反復退磁對儀器本身是有損害的。隨著醫(yī)療體系的逐步完善,醫(yī)院核磁共振成像設備也越來越多。
中國四川自貢倒是有一些氦氣含量相對較高的天然氣,從中提取出的氦基本就用于潛艇。在水下的高壓環(huán)境下,空氣中的氮氣會溶解在潛水員的血液中,在潛水員上浮的過程中隨著壓力的變小,血液中的氮氣便會逸出,形成氣泡阻塞血管,而用到極難溶于水的氦氣與氧氣混合形成的人造空氣,由于氦氣本身的化學惰性,可以讓潛水員較為舒適地在水面和水下之間往返。
同時由于氦氣是惰性氣體,不易與別的化學物質發(fā)生反應,它常常被用作電焊和單晶硅生產中的保護氣,避免金屬或者硅被空氣中的氧氣所氧化形成討厭的氧化物。像美國這樣的氦資源富有國家,據統(tǒng)計在其2000年消耗的所有氦氣中,18%用在了焊接上,而16%用作工業(yè)的保護氣。
此外,氦氣還被用于飛艇的載氣,在火箭發(fā)射中也離不開它的身影。
未來氦氣進口的情況依然不容樂觀。一旦美國收緊液氦的出口,中國現(xiàn)有的許多使用氦氣和液氦的科研項目和醫(yī)療項目將受到影響。
三種途徑解除氦危機
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對于美國這樣的“富氦”國家,在相當長的一段時期內似乎不需要考慮“氦資源危機”的問題,但事實上不管是科研工作者還是醫(yī)療工作者都在考慮如何面對這一危機。
最直接的辦法就是節(jié)流。現(xiàn)在醫(yī)院的核磁共振儀很多自身帶有密閉性很好、防止蒸發(fā)的液氦裝置,大大減少了液氦的需求量,先前的一些耗費液氦量大的儀器已經逐漸被淘汰。
更多的科學家嘗試用其他的制冷方式來代替液氦制冷。用無液氦的制冷機來達到超導磁體的工作溫度。相對于液氦制冷,制冷機的氦需求量很低(用作制冷機的制冷氣體),制冷機主要通過冷橋與磁體相連,采用的是熱傳導的制冷方式,而液氦主要是將磁體浸泡其中,對流制冷起很大作用。
然而這種方法目前還沒有真正用于醫(yī)用核磁共振儀。有專家表示,液氦制冷的優(yōu)勢現(xiàn)在比較明顯:制冷效果穩(wěn)定,對于成像要求條件苛刻的醫(yī)用設備,這點很重要。制冷機的穩(wěn)定性不如液氦,容易受到擾動影響,這對精確成像是不利的。但他也表示,隨著技術的進一步發(fā)展、成熟,制冷機代替液氦制冷也并非不可能。
發(fā)展高溫超導材料也是另一個可能的途徑。尋找優(yōu)質的高溫超導材料,讓超導磁體能夠在液氮甚至更高的溫度下穩(wěn)定工作,是核磁共振成像儀擺脫液氦的又一希望所在。
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