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氦气知识介绍(七)

文字:[大][中][小] 2010-6-10    浏览次数:564    

1908年氦气被液化后的几十年里,液氦只是极少数世界知名实验室的珍品。液氦本身作为被研究的对象或作为低温介质用于其他物质物性研究。此间,人们获得了超流氦﹝1.9 K﹞和发现了超导电性。1927年,人们又发现氦同位素液氦3的超流性。

1958年中科院物理所研制出每小时生产5升的氦液化器。在当时的历史条件下,液氦十分珍贵,库存氦气不足五十瓶;氦气被反复液化,反复回收,限制氦气耗损;液化器全年累计生产液氦千余升。这些液氦被用于超导电性材料测试和相关物性研究。

1980年以前,全国拥有的氦液化器屈指可数,随时可生产液氦的液化器仅有一、二台。当时,从事液氦实验的装置都是玻璃作的。玻璃杜瓦的安全隐患很大。某实验室曾发生玻璃杜瓦爆炸事故,爆炸粉碎的玻璃渣被冲击波崁在墙壁上。

改革开放后,我国氦资源贫乏的状况大大改观。氦气的价格降低了。不锈钢液氦实验杜瓦取代了玻璃杜瓦。现在,在国内实验室可以看到各种大小的不锈钢液氦实验杜瓦。它们的直径小到100MM,大到1000MM以上。近年,我国运行的液氦的装置不胜枚举。液氦装置的操作技术也为业界多人掌握。中科院等离子体物理研究所生产液氦的能力每小时可达数百升。我国每年消费液氦几百万升﹝日本液氦消费量大于我国﹞。

液氦的广泛应用是作为保障超导磁体运行的低温致冷介质。

超导磁体为科学实验和工程装置提供极强磁场。超导磁体的磁场与磁铁的磁场及地球的磁场三者的物理本质完全相同。谈及强磁场,这里给读者一个可比的图象:地磁场强度小于0.5高斯;永久磁铁磁极表面的磁场强度是几十高斯;用于选矿的铜线圈电磁铁和起重机电磁铁工作区间的磁场强度是200至2000高斯之间,其耗电功率很大。而超导磁体提供的磁场高出上述磁场的百倍至千倍,可达1万至十万高斯。一般以1万高斯为计量単位,计为 ‘ T ’,读作‘ 特斯拉 ’或直读其名。超导磁体系统的电消耗不大于10千瓦。超导磁体系统提供的磁场空间以立方米计,这为强磁场应用开辟了广泛的可行性。电磁铁提供的磁场只限于铁芯的缝隙中或只应用于磁性材料。而超导磁体的的强磁场是被超导线圈围绕着。这样,超导磁体的线圈直径足够大时,再施以绝热技术,超导磁体就能提供室温区域强磁场。中科院等离子体物理研究所内20T混合磁体、中国科技大学同步辐射加速器的超导WIGGLER磁体及大量使用的超导磁共振仪的超导磁体系统就是利用超导线圈在室温区提供的强磁场而工作的。在有超导线圈工作的区间,磁场应该被屏蔽,禁止工作人员带入磁性介质。

20T混合磁体是为创造极端强磁场条件而作的。它设计的均匀区仅为直径10MM球体。超导线圈贡献7T 磁场强度和300MM竖直通孔。此间放置一个脉冲高度为13T 磁场强度用高压高速水流冷却的常导磁体﹝高纯铜β片﹞;脉冲宽度是0.1秒。

医用核磁共振人体诊断仪是很多医院诊断手段。国际上已有不少制造商能供应核磁共振人体诊断仪。它们有多种型号,最高磁场强度由0.5T 至3.0T的 各种等级。上世纪八十年代,我国曾制造出核磁共振人体诊断仪,由于其成本高而停产。但是,它打破了当时外国对中国的高价笼断。然而,在1995年以后,国外一些落后型号的核磁共振人体诊断仪大量转手来我国,因此造成国内落后核磁仪泛滥和资源浪费。

同步辐射加速器﹝或称作同步辐射光源﹞电子束流轨道在超导WIGGLER磁体的室温通道中穿过。电子束流通过WIGGLERT沿其轨道周期变化的磁场时,电子束流将发射一定波长的射线﹝光源﹞。

上述装置中的超导线圈都被寖泡在氦池中。在超导线圈占空以上,装充足够的液氦,保障超导线圈运行。在超导线圈露出液氦之前,及时补充液氦。这些装置都有液面计。

随着大科学工程建设,以上浴池式的冷却方式已不满足大科学工程装置运行的需要。人们又发展了超临界氦冷却方式。超临界氦作为制冷剂与液氦比较具有如下优点:它与超导体之间热阻小,导热快。另外,超临界氦处于高压流动状态,它自身导热量大、导热效率高。当然,被超临界氦冷却的超导体、超导线圈的制作工艺要复杂得多。

中科院等离子体物理研究所运行的全超导非园截面托卡马克核聚变实验装置的低温介质就是超临界氦。它的超导线圈是由有液氦流动通孔的超导体绕成的。液氦泵强迫将液氦压进超导线圈的超导体液氦孔洞且沿导体高速流动。此时,液氦的温度、压力升高变成了超临界氦。该装置是在2006年我国自主建成的。

问 与 答

1. 超临界氦是怎样的?

氦的临界温度是5.2 K;临界压力0.23MPA;临界密度每升0.07公斤。﹝常态液氦密度是每升0.125公斤﹞。从国外进港的液氦槽,当表压高过0.13MPA﹝绝对压力为0.23MPA﹞,密度大于每升0.1公斤,槽内原来充入的液氦已变成了超临界氦。在中科院等离子体所的超导托卡马克中,当液氦被强迫泵入长而细的超导磁体的超导体管道,热负载和管阻使高压液氦变成超临界氦。工作中的超临界氦是在超导线圈、制冷机、液氦泵组成的廻路中循环。超临界氦在超导线圈出口的温度、制冷机的制冷功率、超导线圈的应用特性、液氦流量、热负载等统筹设计。这个托卡马克中超临界氦的最高温度﹝超导线圈出口温度﹞低于6.5k。物理学上临界温度的含义是,在此温度以上,物质不再以液态存在。例如:水的临界温度是620K﹝347摄氏度﹞。对520k的水汽,我们可以提高压力使之液化;对621k的水气,无论施加压力多高,我们都不能使之液化。

2. 中科院等离子体物理研究所托卡马克装置有多大,世界地位如何 ?

该装置包括核心堆、电源系统、冷却水、液氮、液氦系统、等离子体诊断和控制室等各大系统占具的大厅纵横都大于50米,拔高地面30米以上。厅内能起重50吨的行车两台。托卡马克核心堆工作面下沉地面以下超过10米。堆体直径8米以上,其轴线高12米左右。液氦从业者感兴趣的超导线圈就装配在堆体内。目前,它是世界第一个全超导非园截面托卡马克核聚变实验装置;是由美国、日本、欧盟、中国、俄罗斯、印度、韩国等多国组成的国际氦聚变合作组织出资、未来十年内在法国建成的ITER装置的雏形。


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