中國第一瓶自製液氦誕生丨科學史

2021-01-15 中科院之聲

你能想像置身於約-269℃的環境裡是什麼感受？要知道南北極的最低溫度都沒超過-100℃！普通環境下，是不可能接觸到這樣的溫度的，只有液氦才有這樣的本事，能夠製造-269℃的極低溫度。它是低溫物理實驗必不可少的材料，是製造極佳超導實驗環境的魔術師。歷史上的今天，是中國第一瓶液氦的生日。


那麼，液氦是什麼呢？



氦氣液化後得到液氦，與其他低溫液體相比，它的正常沸點最低，為4.2221K（約為-269℃）。問題來了，氦氣從哪裡來呢？目前美國是氦氣儲量最大的國家，得到氦氣的辦法就是靠鑽天然氣，然後把氦氣從天然氣中分離出來。氦氣的液化並不是那麼簡單。氦氣是最難液化的物質，很多科學家付出頗多努力最後都無功而返。要將氦氣液化，需先將氦氣溫度降至50K（-223℃）以下，如果要提高液化率，溫度也得達到15K（-258℃），可想而知氦氣的液化是一個艱辛的過程，如此苛刻的條件使得氦氣是繼氧、氮、氕、氫等物質之後最後被液化的物質。


1877年的氣體液化裝置

 

古人云，先難後獲。由於液氦具有極低的臨界溫度，因此液氦是科研中製造超低溫的「神器」。某些材料在特定溫度下，會出現電阻為零的現象，這些材料被稱為超導體。但是，特定的溫度往往是低溫，因此需要液氫、液氮、液氦等低溫液體製造低溫環境，而在這三種液體中，液氦的溫度是最低的，這就意味著如果不考慮成本、實驗條件等因素，液氦是這三種液體中最理想的，而且也能找到更多的超導材料。在超導技術的應用中，液氦也發揮了很大的作用。核磁共振成像儀和波譜儀、超導磁體中超導線圈的低溫冷源往往都會用到液氦。



如此科研「神器」註定了它儘管高冷「難追」，但是仍舊有無數的人前赴後繼地奉獻自我去「搞定」它。終於，卡末林-翁納斯於1908年獲得了世界上的第一滴液氦，並於1911年用液氦冷卻汞，發現了超導現象。經過幾十年的技術完善，液氦技術已經非常完善了。但是中國並未跟上世界科研的腳步，直到新中國成立之後，我國氦的液化技術還未起步。要了解新中國第一瓶液氦誕生的歷史，就不得不介紹一位偉大的低溫物理學家——洪朝生先生。



洪朝生先生是著名的物理學家，中國低溫物理與低溫技術研究的創始人之一，中國科學院院士。新中國初建立時期，百廢待興，科研領域的提高勢在必得。心懷祖國的洪朝生在荷蘭工作期間，收到了中科院應用物理所（現中科院物理所）所長陸學善的來信邀請，回國籌建低溫物理實驗室。此時的洪朝生不僅在國外的低溫物理實驗上獲得了肯定，普渡大學多次邀請他重返實驗室，給他提高待遇等，而且還受邀於著名的物理學家莫特，到英國利物浦大學一起研究理論物理。但是，洪朝生最後選擇了祖國，毅然決然地回國，準備為中國低溫物理研究貢獻力量。可是，一切並不是那麼順利。儘管當時中科院在艱難的開國初期，仍拿出10億元（幣制改革後10萬元）作為實驗室的籌建經費，但是，國內低溫物理實驗的基礎設備都不全，無法立即開展科研工作。實驗器材需要國外採購，他就隨採購團隊遠赴德國，將設備、材料的規格等清楚地和德國方面交流購買，事事親力親為。


而在20世紀50年代，低溫物理實驗重要的設備——氦液化機在國內根本無法買到，而所有具有氦液化機生產能力的國家都禁止將機器賣給中國。面對困境，洪朝生說：「這個我得自力更生，自己來幹。」於是，他通過對氦液化原理的了解，自己設計氦液化機，充當科技工程師，不斷地通過設計、研製、安裝、調試，多次反覆，並且帶上了他的學生，於1959年4月3日製備了新中國的第一瓶液氦！



液氦對於我國在低溫超導研究、半導體生產、衛星飛船發射、飛彈武器工業等領域的發展起到了極大的作用。而今天的中科院物理研究所超導國家重點實驗室，仍舊使用液氦進行著超導研究，實驗室的工作一直處於國際超導研究的前沿。

 

作者系中國科學院物理研究所研究生


相關焦點

  • 「麻醉」的發明丨科學史小畫
    這項考古技能，是他發明的丨科學史小畫科學史周曆（6.22——6.28）他帶來了物理學史上的兩朵「烏雲」丨科學史小畫科學史周曆（6.29——7.05）看，5億多年前的海洋世界丨科學史小畫丨科學史小畫科學史周曆（8.31——9.06）新中國科技獎勵制度的誕生丨科學史小畫科學史周曆（9.07——9.13）達爾文前往普利茅斯，初遇「小獵犬」號丨科學史小畫
  • 《物種起源》出版丨科學史小畫
    這項考古技能，是他發明的丨科學史小畫科學史周曆（6.22——6.28）他帶來了物理學史上的兩朵「烏雲」丨科學史小畫科學史周曆（6.29——7.05）看，5億多年前的海洋世界丨科學史小畫謝家麟：故國山河壯志酬丨科學史小畫科學史周曆（8.10——8.16）質譜儀與同位素丨科學史小畫科學史周曆（8.17——8.23）世界蚊子日，了解一下丨科學史小畫
  • 朝宗於海——李約瑟及其《中國科學技術史》 | 科學史小畫
    這項考古技能，是他發明的丨科學史小畫科學史周曆（6.22——6.28）他帶來了物理學史上的兩朵「烏雲」丨科學史小畫科學史周曆（6.29——7.05）看，5億多年前的海洋世界丨科學史小畫丨科學史小畫科學史周曆（8.31——9.06）新中國科技獎勵制度的誕生丨科學史小畫科學史周曆（9.07——9.13）達爾文前往普利茅斯，初遇「小獵犬」號丨科學史小畫
  • 進化論的先驅拉馬克 | 科學史小畫
    這項考古技能，是他發明的丨科學史小畫科學史周曆（6.22——6.28）他帶來了物理學史上的兩朵「烏雲」丨科學史小畫科學史周曆（6.29——7.05）看，5億多年前的海洋世界丨科學史小畫丨科學史小畫科學史周曆（8.31——9.06）新中國科技獎勵制度的誕生丨科學史小畫科學史周曆（9.07——9.13）達爾文前往普利茅斯，初遇「小獵犬」號丨科學史小畫
  • 科學史周曆(12.21——12.27)
    丨科學史小畫科學史周曆（8.31——9.06）新中國科技獎勵制度的誕生丨科學史小畫科學史周曆（9.07——9.13）達爾文前往普利茅斯，初遇「小獵犬」號丨科學史小畫>科學史周曆（9.14——9.20）公雞、鴨子與綿羊成了首批「飛行員」丨科學史小畫科學史周曆（9.21——9.27）「中國天眼」落成丨科學史小畫科學史周曆（9.28——10.04）
  • 克卜勒與金星凌日 | 科學史小畫
    這項考古技能，是他發明的丨科學史小畫科學史周曆（6.22——6.28）他帶來了物理學史上的兩朵「烏雲」丨科學史小畫科學史周曆（6.29——7.05）看，5億多年前的海洋世界丨科學史小畫丨科學史小畫科學史周曆（8.31——9.06）新中國科技獎勵制度的誕生丨科學史小畫科學史周曆（9.07——9.13）達爾文前往普利茅斯，初遇「小獵犬」號丨科學史小畫
  • 科學史周曆（11.02——11.08）
    這項考古技能，是他發明的丨科學史小畫科學史周曆（6.22——6.28）他帶來了物理學史上的兩朵「烏雲」丨科學史小畫科學史周曆（6.29——7.05）看，5億多年前的海洋世界丨科學史小畫謝家麟：故國山河壯志酬丨科學史小畫科學史周曆（8.10——8.16）質譜儀與同位素丨科學史小畫科學史周曆（8.17——8.23）世界蚊子日，了解一下丨科學史小畫
  • 科學史周曆（10.26——11.01）
    這項考古技能，是他發明的丨科學史小畫科學史周曆（6.22——6.28）他帶來了物理學史上的兩朵「烏雲」丨科學史小畫科學史周曆（6.29——7.05）看，5億多年前的海洋世界丨科學史小畫科學史周曆（7.06——7.12）大器晚成的「集郵」人丨科學史小畫科學史周曆（7.13——7.19）科學建制化的開端丨科學史小畫科學史周曆（
  • 世界蚊子日，了解一下丨科學史小畫
    ——6.7）「詩和遠方」的科學家丨科學史小畫科學史周曆（6.8——6.14）他為改變世界做了些「微小的工作」丨科學史小畫科學史周曆（6.15——6.21）這項考古技能，是他發明的丨科學史小畫科學史周曆（6.22——6.28）他帶來了物理學史上的兩朵「烏雲」丨科學史小畫科學史周曆（6.29——7.05）看，5億多年前的海洋世界丨科學史小畫
  • 核磁共振或將進入「100%無液氦時代」
    近日召開的第28屆中國國際醫用儀器設備展覽會暨技術交流會上，鑫高益醫療設備股份有限公司研發的全球首臺1.5T大孔徑全身成像無液氦超導磁體面世，該無液氦超導磁體技術突破了對液氦的依賴，顛覆了傳統設計思路，為全球首創，中國製造，開創了醫學影像產業的全新局面。
  • 科學史周曆（8.17——8.23）
    6.7）「詩和遠方」的科學家丨科學史小畫科學史周曆（6.8——6.14）他為改變世界做了些「微小的工作」丨科學史小畫科學史周曆（6.15——6.21）這項考古技能，是他發明的丨科學史小畫科學史周曆（6.22——6.28）他帶來了物理學史上的兩朵「烏雲」丨科學史小畫科學史周曆（6.29——7.05）看，5億多年前的海洋世界丨科學史小畫
  • 科學史周曆（7.27——8.02）
    編者按：科學史是連接自然科學與人文科學的橋梁。了解科學史，有助於更好地理解科學，理解人類文明史。中科院之聲聯合中國科學院自然科學史研究所開設「科學史周曆」專欄，在每周一介紹本周科學史上發生過的大事小事。
  • MRI即將進入「100%無液氦時代」
    無液氦超導磁共振新技術研討會 　　今年 6 月，在兩院院士的帶領下中國醫療器械行業協會召開了「1.5T 全身人體成像無液氦超導磁體」技術評價會，與會專家一致認為該項目自主研製出無液氦全身1.5T 超導磁共振，超導磁體直接傳導冷卻，創建了無液氦磁體整體結構設計、無液氦超導開關、無液氦超導接頭、無液氦電流引線等關鍵核心技術。
  • 建立西方科學史譯著的高地
    《新物理學的誕生》，[美]I.伯納德·科恩著，張卜天譯，湖南科學技術出版社2010年10月出版，定價：38.00元 顧名思義，這套書追溯近代科學的起源，收入的主要是西方科學史方面的書，首批推出3本，分別是荷蘭科學史家E.J.戴克斯特霍伊斯的《世界圖景的機械化》、美國科學史家愛德華·格蘭特的《近代科學在中世紀的基礎》以及美國科學史家I.B.科恩的《新物理學的誕生》。
  • 磁共振-液氦加注過程
    液氦的作用在於：減低超導線圈的溫度，使超導線圈維持的極低溫度（-268.8℃），從而穩定磁場強度。有位老師公眾號留言問我有沒有經歷過液氦加注的過程，他很感興趣，之前我沒見過的時候我也很感興趣。今天就和大家分享一下，液氦加注過程。 今年六月份我們用了兩年多的飛利浦1.5TAchieva磁共振液氦低於50%。和工程師約好下班之後加注液氦。
  • 寧波諾丁漢大學:實現無液氦超導磁體技術突破
    近日，由寧波諾丁漢大學、寧波高思超導技術有限公司、鑫高益醫療設備股份有限公司、浙江大學醫學院第一附屬醫院、中國科學院大學寧波華美醫院聯手攻堅的2019年科技部重點項目「1.5T無液氦低溫超導磁體技術研發
  • 他是科技改革先鋒人物，領導開創中國科學史研究事業
    1949年11月1日，伴隨著新中國的誕生，中國科學院（以下簡稱：中科院）成立，郭沫若任首屆中科院院長，陳伯達、李四光、陶孟和和竺可楨擔任副院長。同樣也是在他的努力下，中國氣候研究受到了國家領導人的關注，《中國近五千年來氣候變化的初步研究》在國內外學術界引起反響。一手促成中國科學史研究事業竺可楨在中科院任職期間，還積極倡導、組織和領導科學史研究事業，在二十世紀五十年代推動了中國自然科學史研究委員會（以下簡稱：委員會）和中國自然科學史研究室成立。
  • 寧波諾丁漢大學：實現無液氦超導磁體技術突破
    近日，由寧波諾丁漢大學、寧波高思超導技術有限公司、鑫高益醫療設備股份有限公司、浙江大學醫學院第一附屬醫院、中國科學院大學寧波華美醫院聯手攻堅的2019年科技部重點項目「1.5T無液氦低溫超導磁體技術研發」取得階段性突破。「我們成功研發了1.5T-Alpha全身型無液氦超導磁體，現已穩定運行了一年，證明了該技術的可行性。」
  • 液氦,一種神奇的軍用冷卻劑!
    瀚海狼山（匈奴狼山）專門提到，F22A自重過大是因為內部使用了至少2噸的液氦作為冷卻劑。
  • 智能型氦液化器ATL開啟液氦回收新時代
    在液氦資源日益緊張的今天，越來越多的實驗室開始考慮使用氦液化器來進行循環回收使用液氦，這樣既省去了來回採購使用液氦的麻煩，又節省了不少液氦的消耗費用。尤其在一些偏遠的地方，購置液氦本身就非常困難。 　　近期，Quantum Design中國工程師相繼完成了昆明理工大學和中國科學院物理研究所智能型氦液化器ATL的安裝調試。