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談?wù)労釮e的供應(yīng)局勢和氦危機(jī)
2011-12-6 13:35:37
1895年英國化學(xué)家威廉.拉姆塞（William Ramsay）從一種含鈾礦物中分離到氦的時(shí)候，讓人們認(rèn)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(dǎo)彈武器工業(yè)、低溫超導(dǎo)研究、半導(dǎo)體生產(chǎn)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(jìn)口。
由于美國將氦資源列為戰(zhàn)略儲備資源而限制粗氦產(chǎn)量，美國國內(nèi)液氦設(shè)備大規(guī)模停產(chǎn)，這不僅導(dǎo)致了美國自身在日本長島軍事基地的需氦設(shè)備被迫關(guān)閉，而且累及到中國的液氦進(jìn)口，液氦的價(jià)格更是一路飆升。分析人士稱中國加強(qiáng)對稀土出口的監(jiān)管后，美國就曾一度威脅以中斷供應(yīng)氦要挾。
更嚴(yán)重的是，液氦的最大消費(fèi)群體還不在科研機(jī)構(gòu)，而是在醫(yī)院的核磁共振設(shè)備。醫(yī)院的核磁共振成像儀的核心大都是超導(dǎo)磁體，只有在液氦的低溫下才能穩(wěn)定運(yùn)行從而產(chǎn)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(dǎo)成像設(shè)備往往消耗的液氦越多，核磁共振成像儀的諸多優(yōu)點(diǎn)讓其成為醫(yī)院不可或缺的診斷工具，然而由于“伴侶商品”液氦的短缺，一些醫(yī)院不得不讓它們停止運(yùn)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(shè)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(yù)冷設(shè)備，而且很有可能需要重新勻場，超導(dǎo)磁體退磁后重新充磁也要10到15天。等到設(shè)備完全正常差不多要等一個(gè)月。而且對于儀器來說，超導(dǎo)磁體的反復(fù)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(shè)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?dú)鈺芙庠跐撍畣T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?dú)獗銜莩觯纬蓺馀葑枞埽玫綐O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(xué)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(shí)由于氦氣是惰性氣體，不易與別的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，它常常被用作電焊和單晶硅生產(chǎn)中的保護(hù)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(jù)統(tǒng)計(jì)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(hù)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。
三種途徑解除氦危機(jī)
對于美國這樣的“富氦”國家，在相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)似乎不需要考慮“氦資源危機(jī)”的問題，但事實(shí)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(jī)。
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(fèi)液氦量大的儀器已經(jīng)逐漸被淘汰。
更多的科學(xué)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(jī)來達(dá)到超導(dǎo)磁體的工作溫度。相對于液氦制冷，制冷機(jī)的氦需求量很低（用作制冷機(jī)的制冷氣體），制冷機(jī)主要通過冷橋與磁體相連，采用的是熱傳導(dǎo)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(shè)備，這點(diǎn)很重要。制冷機(jī)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(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、成熟，制冷機(jī)代替液氦制冷也并非不可能。
發(fā)展高溫超導(dǎo)材料也是另一個(gè)可能的途徑。尋找優(yōu)質(zhì)的高溫超導(dǎo)材料，讓超導(dǎo)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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