皇冠頂端同位素（sù）氣體—氦3及其應用（yòng）(上)

氦(He)屬於元素周期表中的0族元素，總共存在8種同位素（sù），從He-3到He-10，其中隻有He-3及He-4較穩定，其他同位素都具有放射性。地（dì）球上氦元素中屬He-4的含量最多，約占（zhàn）99.9%；He-3的含量極小，空氣中氦（hài）氣成分裏He-3和He-4的比例大（dà）約為10-6：1。He-3和He-4在物理和化學性（xìng）質上表現出較多的一致性，在室溫和大（dà）氣壓力下都是無色、無味、無毒、不燃燒的惰性氣（qì）體，化學性質極為穩定；都具有極低的臨界（jiè）溫度和正常沸點，都（dōu）不存在三相點，都屬於量子流體，存在超流現象等。但是原子（zǐ）結（jié）構的不同，使（shǐ）得它們（men）在物理性質上也（yě）存（cún）在很大的差異（yì），尤（yóu）其在低溫下（xià）差異更加明顯。

根據（jù）量子粒子的特性，He-4的核自旋為（wéi）偶數，是（shì）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（xià），這兩種同位素都服從量子力學（xué）的原理，但兩者遵循的統計規（guī）律是不同的，He-4遵循玻色一（yī）愛因（yīn）斯坦(BE)統計，在2.172K下發（fā）生玻色愛因斯坦凝聚轉變為超流態；而He-3遵循（xún）費（fèi）米--狄拉克(FD)統計， 在2.6mK下才能發生類似超導體的BCS型凝聚而轉（zhuǎn）變為超流態， 這個溫度比He-4的入轉變溫（wēn）度低了3個數量級。在宏觀上，相同溫度下He-3蒸（zhēng）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（hài）-3的應用

氦-3在（zài）低溫製冷領域的應用

He-3的獨特性質引起低溫物理和低溫工程領域研究者的極大興趣，其（qí）中最（zuì）令人注目的

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

學（xué）等現代（dài）高新科學研（yán）究的重要領域。He-3具有低（dī）沸點、低密度、高比（bǐ）熱容、高熱（rè）導率等性質，這些性質使它成為低溫工程（chéng）中極為特殊的一種製冷工質，尤其是在接近絕對零度的極低溫（wēn）下。

1956年，瓦爾特斯（G. K. Walters）和費爾班克斯（W. M. Fairbanks）發現，溫度在0.87K以下時，3He和4He混合（hé）液分成兩（liǎng）個完全不同的（de）相，較輕的富3He相浮在（zài）上層，而較重的富4He相沉在（zài）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製冷機的基礎。

1962年，H．倫（lún）敦和門德爾鬆（KurtMendelssohn）等人再次提（tí）出稀釋製冷實用（yòng）技術方案。稀釋（shì）製冷原理與蒸發製冷有相似之處。低溫下4He呈超流態，是惰性液體，而3He仍為正常（cháng）流體（tǐ），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相對於上層富3He相來說，可以認為是隻起支撐或“機械真空”的作用。隻（zhī）要采（cǎi）取某（mǒu）種方（fāng）式除去一些富4He相中（zhōng）溶解的（de）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（guò）分界層擴散到富4He相中去。從界麵上（shàng）看，這相當（dāng）於3He蒸發（fā），隻（zhī）不過（guò）3He分子（zǐ）不是蒸發進入氣相空間，而是（shì）“蒸發”進入液相的超流態4He中。這個過程實際上是3He不斷被稀釋的（de）過程，若稀釋（shì）持續下去，液體就不斷被冷（lěng）卻。因此（cǐ）這種製（zhì）冷方式稱為稀釋製冷。

當然（rán）3He-4He稀釋製冷與3He的蒸發（fā）製冷還是有很大區別。前麵已經（jīng）提到，在（zài）蒸（zhēng）發製冷過（guò）程中，隨著溫度下降，3He蒸氣壓急劇降（jiàng）低，最（zuì）終無氣可抽而不得（dé）不終止製冷過程，這限製3He蒸發製冷（lěng）的極限溫度是0.25K。稀釋（shì）製冷則不同，富4He相中3He的含量不變，不管溫（wēn）度多（duō）低，抽氣機總可（kě）以（yǐ）維持恒定的3He循環量，因（yīn）此可以得到比3He蒸發製冷低（dī）得多的（de）溫度。

理想的聚變能資源

He-3的一個非常吸引人的應用是它可作為理想的聚（jù）變反應材（cái）料，以D-He-3為燃料

的聚變反（fǎn）應堆可以產生潔淨和安全的聚變能。D-He-3聚變的主反應過程為

D+He-3--p(14.7MeV)      ---  AA

反應無放射性（xìng）產物，產生的中子功率、激活（huó）放射性，衰（shuāi）變熱以（yǐ）及材料輻射損傷都要比其他的聚變反應小得多。估算表明，中子功（gōng）率古D-He-3聚變功率（lǜ）之比在5%左右”這就降低了

對堆（duī）體輻射屏蔽的要求，同時（shí）部件壽命和磁場利用率都（dōu）可以提高。由式(AA)可見，反應過程伴隨著（zhe）巨大的能量（liàng）釋放。據估算，如果采用D-He-3核聚變（biàn）發電， 1992年中國的用電總量隻需8tHe-3就可（kě）滿足（zú）要求， 而全世（shì）界的年用電需求也基本上相當為（wéi）100T左右He-3的（de）用量。月球表麵的月壤中含有（yǒu）豐富的He-3，資源總量可達100萬1-500萬L這將為解決人類能源危（wēi）機提供一條極具潛力的途（tú）徑（jìng）.

氦-3核磁共振

由於He-3量子上屬於奇自旋， 具有核磁矩， 因此在磁場中能夠發生核（hé）磁共振(NMR， Nuclear Magnetic Resonance) 。磁共振成像(MRI， Magnetic Resonance Imaging) 是一種現代醫學臨床診斷（duàn）的新方法。激光增（zēng）強極化的He-3是一種非常理想的磁共振成像樣品，與常規的H(質子) 或者Xel 129磁共振成（chéng）像相比， 以He-3為樣品的磁共振成像具（jù）有以下優點：

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

號更大；

(2)具（jù）有（yǒu）很高（gāo）的（de）相對靈敏（mǐn）度；

(3)氣態He-3的縱向核（hé）自旋弛豫比氣態Xe-129更長；

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

達50%或者更高；

(5) He-3不像Xel”那樣具（jù）有（yǒu）天然的麻（má）醉性。因此， 當He-3被輸送（sòng）到生物（wù）體組（zǔ）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、成像空間分辨和數據率。

尤其是在一些應用中，具有麻醉性的¹²⁹Xe是不可用的，比如對嬰兒的肺部進行成像。

待續，氦-3 更（gèng）多應用下期介紹……

誠信經（jīng）營、高效服（fú）務

1.  稀有氣體： XE KR..

2.  特殊碳氫（qīng）氣體: 新（xīn）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....