皇冠頂端同位素氣體—氦3及其應(yīng)用(上)

氦(He)屬于元素周期表中的0族元素，總共存在8種同位素，從He-3到He-10，其中只有He-3及He-4較穩(wěn)定，其他同位素都具有放射性。地球上氦元素中屬He-4的含量最多，約占99.9%；He-3的含量極小，空氣中氦氣成分里He-3和He-4的比例大約為10-6：1。He-3和He-4在物理和化學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出較多的一致性，在室溫和大氣壓力下都是無色、無味、無毒、不燃燒的惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定；都具有極低的臨界溫度和正常沸點，都不存在三相點，都屬于量子流體，存在超流現(xiàn)象等。但是原子結(jié)構(gòu)的不同，使得它們在物理性質(zhì)上也存在很大的差異，尤其在低溫下差異更加明顯。

根據(jù)量子粒子的特性，He-4的核自旋為偶數(shù)，是玻色子；而He-3的核自旋為奇自旋，是費米子。在接近絕對零度的低溫下，這兩種同位素都服從量子力學(xué)的原理，但兩者遵循的統(tǒng)計規(guī)律是不同的，He-4遵循玻色一愛因斯坦(BE)統(tǒng)計，在2.172K下發(fā)生玻色愛因斯坦凝聚轉(zhuǎn)變?yōu)槌鲬B(tài)；而He-3遵循費米--狄拉克(FD)統(tǒng)計， 在2.6mK下才能發(fā)生類似超導(dǎo)體的BCS型凝聚而轉(zhuǎn)變?yōu)槌鲬B(tài)， 這個溫度比He-4的入轉(zhuǎn)變溫度低了3個數(shù)量級。在宏觀上，相同溫度下He-3蒸氣壓比He-4要大許多，例如在1K時，He-3的飽和蒸氣壓比He-4大80倍，在0.5K時兩者則相差近10000倍。

氦-3的應(yīng)用

氦-3在低溫制冷領(lǐng)域的應(yīng)用

He-3的獨特性質(zhì)引起低溫物理和低溫工程領(lǐng)域研究者的極大興趣，其中最令人注目的

是He-3在獲取1K以下低溫環(huán)境所扮演的獨一無二的角色，而這個溫度區(qū)間正是基礎(chǔ)物理

學(xué)等現(xiàn)代高新科學(xué)研究的重要領(lǐng)域。He-3具有低沸點、低密度、高比熱容、高熱導(dǎo)率等性質(zhì)，這些性質(zhì)使它成為低溫工程中極為特殊的一種制冷工質(zhì)，尤其是在接近絕對零度的極低溫下。

1956年，瓦爾特斯（G. K. Walters）和費爾班克斯（W. M. Fairbanks）發(fā)現(xiàn)，溫度在0.87K以下時，3He和4He混合液分成兩個完全不同的相，較輕的富3He相浮在上層，而較重的富4He相沉在下層。富3He相也稱濃縮相，在0.3K以下時幾乎是純3He。富4He相則稱為稀釋相，它含有6.4%的3He，即使接近絕對零度也仍有6.4%的3He溶解在4He中。這一特性成為可連續(xù)獲得毫開溫度的稀釋制冷機的基礎(chǔ)。

1962年，H．倫敦和門德爾松（KurtMendelssohn）等人再次提出稀釋制冷實用技術(shù)方案。稀釋制冷原理與蒸發(fā)制冷有相似之處。低溫下4He呈超流態(tài)，是惰性液體，而3He仍為正常流體，是個活躍成分。因此，若一個容器中盛有3He-4He混合液，下層的富4He相對于上層富3He相來說，可以認(rèn)為是只起支撐或“機械真空”的作用。只要采取某種方式除去一些富4He相中溶解的3He，下層富4He相中3He濃度降低，勢必破壞兩相間的平衡，富3He相中的3He原子將穿過分界層擴散到富4He相中去。從界面上看，這相當(dāng)于3He蒸發(fā)，只不過3He分子不是蒸發(fā)進入氣相空間，而是“蒸發(fā)”進入液相的超流態(tài)4He中。這個過程實際上是3He不斷被稀釋的過程，若稀釋持續(xù)下去，液體就不斷被冷卻。因此這種制冷方式稱為稀釋制冷。

當(dāng)然3He-4He稀釋制冷與3He的蒸發(fā)制冷還是有很大區(qū)別。前面已經(jīng)提到，在蒸發(fā)制冷過程中，隨著溫度下降，3He蒸氣壓急劇降低，最終無氣可抽而不得不終止制冷過程，這限制3He蒸發(fā)制冷的極限溫度是0.25K。稀釋制冷則不同，富4He相中3He的含量不變，不管溫度多低，抽氣機總可以維持恒定的3He循環(huán)量，因此可以得到比3He蒸發(fā)制冷低得多的溫度。

理想的聚變能資源

He-3的一個非常吸引人的應(yīng)用是它可作為理想的聚變反應(yīng)材料，以D-He-3為燃料

的聚變反應(yīng)堆可以產(chǎn)生潔凈和安全的聚變能。D-He-3聚變的主反應(yīng)過程為

D+He-3--p(14.7MeV)      ---  AA

反應(yīng)無放射性產(chǎn)物，產(chǎn)生的中子功率、激活放射性，衰變熱以及材料輻射損傷都要比其他的聚變反應(yīng)小得多。估算表明，中子功率古D-He-3聚變功率之比在5%左右”這就降低了

對堆體輻射屏蔽的要求，同時部件壽命和磁場利用率都可以提高。由式(AA)可見，反應(yīng)過程伴隨著巨大的能量釋放。據(jù)估算，如果采用D-He-3核聚變發(fā)電， 1992年中國的用電總量只需8tHe-3就可滿足要求， 而全世界的年用電需求也基本上相當(dāng)為100T左右He-3的用量。月球表面的月壤中含有豐富的He-3，資源總量可達(dá)100萬1-500萬L這將為解決人類能源危機提供一條極具潛力的途徑.

氦-3核磁共振

由于He-3量子上屬于奇自旋， 具有核磁矩， 因此在磁場中能夠發(fā)生核磁共振(NMR， Nuclear Magnetic Resonance) 。磁共振成像(MRI， Magnetic Resonance Imaging) 是一種現(xiàn)代醫(yī)學(xué)臨床診斷的新方法。激光增強極化的He-3是一種非常理想的磁共振成像樣品，與常規(guī)的H(質(zhì)子) 或者Xel 129磁共振成像相比， 以He-3為樣品的磁共振成像具有以下優(yōu)點：

(1)He-3具有更大的磁矩，比Xe129大2.7倍，因而在給定的極化率密度下其磁共振信

號更大；

(2)具有很高的相對靈敏度；

(3)氣態(tài)He-3的縱向核自旋弛豫比氣態(tài)Xe-129更長；

(4) 由激光抽運技術(shù)(Optic al Pumping Technology) 自旋交換方法產(chǎn)生He-3的極化率可

達(dá)50%或者更高；

(5) He-3不像Xel”那樣具有天然的麻醉性。因此， 當(dāng)He-3被輸送到生物體組織中

(例如：人或者動物的肺部)，可以給出頗大的核磁共振信號強度、成像空間分辨和數(shù)據(jù)率。

尤其是在一些應(yīng)用中，具有麻醉性的¹²?Xe是不可用的，比如對嬰兒的肺部進行成像。

待續(xù)，氦-3 更多應(yīng)用下期介紹……

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1.  稀有氣體： XE KR..

2.  特殊碳?xì)錃怏w: 新戊烷，1-丁炔..

3.  同位素：Xe-129， He-3，...

4.  進口閥門：DISS716 DISS634 ..

5.  電子氣體： BCL3， SI2H6....