液氦行业发展现状及特点的可行性研究报告

第一节  液氦的简介

氦单质在极低温度下由气态氦转变为液态氦。由于氦原子间的相互作用（范德华力）和原子质量都很小，很难液化，更难凝固。富同位素4He的气液相变曲线的临界温度和临界压强分别为5.20K和2.26大气压，一个标准大气压下的温度为4.215K.在常压下，温度从临界温度下降至绝对零度时，氦始终保持为液态，不会凝固，只有在大于25大气压时才出现固态。（可行性研究报告）

第二节  液氦的特点

液氦具有一系列引人注目的特点，主要表现在以下几方面。

超流动性普通液体的粘滞度随温度的下降而增高，与此不同，HeⅠ的粘滞度在温度下降到2.6K左右时，几乎与温度无关，其数值约为3×10-6帕秒，比普通液体的粘滞度小得多。在2.6K以下，HeⅠ的粘滞度随温度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滞度在λ点以下的温度时立刻降至非常小的值（<10-12帕秒），这种几乎没有粘滞性的特性称为超流动性。用粗细不同的毛细管做实验时，发现流管愈细，超流动性就愈明显，在直径小于10-5厘米的流管中，流速与压强差和流管长度几乎无关，而仅取决于温度，流动时不损耗动能。

氦膜任何与HeⅡ接触的器壁上覆盖一层液膜，液膜中只包含无粘滞性的超流体成分，称为氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向尽可能低的位置移动。将空的烧杯部分地浸于HeⅡ中时，烧杯外的液氦将沿烧杯外壁爬上杯口，并进入杯内，直至杯内和杯外液面持平。反之，将盛有液氦的烧杯提出液氦面时，杯内液氦将沿器壁不断转移到杯外并滴下。液氦的这种转移的速率与液面高度差、路程长短和障壁高度无关。

对HeⅡ性质的理论研究首先由F.伦敦作出。4He原子是自旋为整数的玻色子，伦敦把HeⅡ看成是由玻色子组成的玻色气体，遵守玻色统计规律，玻色统计允许不同粒子处于同一量子态中。伦敦证明了存在一个临界温度Tc，当温度低于Tc时，一些粒子会同时处于零点振动能状态（即基态），称为凝聚，温度愈低，凝聚到零点振动能状态的粒子数就愈多，在绝对零度时，全部粒子都凝聚到零点振动能状态，以上现象称为玻色-爱因斯坦凝聚。L.蒂萨认为HeⅡ的超流动性起因于玻色-爱因斯坦凝聚。由于已凝聚到基态的HeⅡ原子具有最低的零点振动能，故有极大的平均自由程，能够几乎无阻碍地通过极细的毛细管。蒂萨首先提出二流体型，后来L.D.朗道修正和补充了此模型。二流体模型认为HeⅡ由两部分独立的、可互相渗透的流体组成，一种是处于基态的凝聚部分，熵等于零，无粘滞性，是超流体；另一种是处于激发态（未凝聚）的正常流体，熵不等于零，有粘滞性。两种流体的密度之和等于HeⅡ的总密度，温度降至λ点时，正常流体开始部分地转变为超流体，温度愈低，超流体的密度愈大，而正常流体的密度则愈小，在绝对零度时，所有原子都处于凝聚状态，全部流体均为超流体。利用这个二流体模型可解释关于液氦的许多力学和热学性质。

第三节  液氦行业的种类

碱土金属碳酸盐和碱土金属的氢氧化物

粉状的碱土金属碳酸盐或氢氧化物以前在喷射混凝土施工中很少应用。它们成为这类混凝土最常用的液氦，其常规掺量为水泥重量的2,5%至6%，它们主要是促进C3S的水化。一般加入少量的碳酸铝,可以影响水泥的凝结时间。但是，只有当大剂量掺入时，其影响才能被观察到。这种液氦与水泥的反应主要受水泥化学成分、细度和矿物添加剂以及环境温度的影响。

硅酸碱(水玻璃) 硅酸钠、硅酸钾类液氦

主要用于湿拌喷射混凝土，它们通常都是液体，而且掺量很大(>10%胶凝材料重量)。可溶性的硅酸盐由于反应生成硅酸钙沉淀而加速凝结。当大剂量使用时，这些促凝剂降低了与基底的粘结力，最终，导致砼强度的下降和严重的干缩。一些报道说这些问题已被列入奥地利混凝土学会出版的“喷射混凝土南”中，规定这种液氦最大掺量不超过15%，最终的强度损失限制在30%以

铝酸钠、铝酸钾 铝酸盐类液氦

既可以用干混,又可以用于湿混喷射混凝土工程，常用剂量一般为2.5%～5.5%。铝酸钾比铝酸钠液氦有更好的效果，但价格也更高。它们主要是直接参与硅酸盐水泥水化而加速水泥的凝结，与石膏结合，阻止水泥颗粒表面形成钙矾石，而使C3A立即反应，产生大多数喷射混凝土所需要的初始强度。它们的作用通常受水泥的化学成分、细度以及所含的矿物添加剂的影响，但这种影响比所看到的碳酸盐类外加剂的影响要小。最终强度将损失为20%～25%。毫无疑问，铝酸盐液氦在湿混喷射混凝土工程中应用效果最好，对厚的衬板甚至顶板都具有好的施工效果。但是其高碱含量，在地下施工对健康的危害是限制其应用的主要因素。另外，它们在含硫酸根的工程和含活性集料的工程应用中都存在问题，后者可能发生碱集料反应。

无碱液体液氦

液体无碱液氦，有关其应用报导还十分罕见。这类促凝剂可以解决一些碱性液氦常见的问题，如,对地下施工环境的危害，碱集料反应的危害，使用过程中高PH值的危害以及对喷射混凝土后期强度的损失等。

第四节  液氦的发展历史

在上世纪初的几十年里，世界各国都在寻找氦气资源，在当时主要是为了充飞艇。但是到了今天，氦不仅用在飞行上，尖端科学研究，现代化工业技术，都离不开氦，而且用的常常是液态的氦，而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。

在液态空气的温度下，氦和氖仍然是气体；在液态氢的温度下，氖变成了固体，可是氦仍然是气体。

要冷到什么程度，氦才会变成液体呢？

英国物理学家杜瓦在1898年首先得到了液态氢。就在同一年，荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253℃，在这样低的温度下，其他各种气体不仅变成液体，而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。卡美林·奥涅斯决心把氦气也变成液体。

1908年7月，卡美林·奥涅斯成功了，氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。

要得到液态氢，必须先把氢气压缩并且冷却到液态空气的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氢气就变成了液体。

液态氦是透明的容易流动的液体，就像打开了瓶塞的汽水一样，不断飞溅着小气泡。

液态氦是一种与众不同的液体，它在零下269℃就沸腾了。在这样低的温度下，氢也变成了固体，千万不要使液态氦和空气接触，因为空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。

多少年来，全世界只有荷兰卡美林·奥涅斯的实验室能制造液态氦。直到1934年，在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机，每小时可以制造4升液态氦。以后，液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。

在今天，液态氦在现代技术上得到了重要的应用。例如要接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的电视信号，就必须用液态氦。接收天线末端的参量放大器要保持在液氦的低温下，否则就不能收到图像。

物理学家不仅仅得到了液态氦，还得到了固态氦，他们正在向绝对零度进军（物理学把零下273.15℃叫做绝对零度。这个温度标叫做绝对温标，用K表示。0K就是-273.15℃，而273.15K就是0℃）。从理论上讲，绝对零度是达不到的，但是可以不断接近它。液态氢的沸点是绝对温标20.2K，液态氦的沸点是绝对温标4.2K。在绝对温标2.18K的时候，氦Ⅰ变为氦Ⅱ。1935年，利用“绝热去磁”法，使液态氦冷到绝对温标0.0034K；1957年，达到绝对温标0.00002K；目前已达到2.4×10-11K了。

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