儀器儀表
日前，由中國科學院理化技術研究所研究員李來風、龔領會帶領的低溫材料及低溫技術研究中心與京安古貝（北京）科技有限公司聯合，采用五臺G-M制冷機做冷源，成功研制出世界首臺70升/天的4.2K G-M制冷機做冷源的小型氦液化器，其氦液化率達到73升/天（4.21K）、87升/天（4.5K）。經過對裝置的真空絕熱、輸液管結構和運行參數的進一步優化，該裝置近日運行測試，成功獲得了95升/天（4.2K）、105升/天（4.5K）的氦液化率，這一指標達到了采用小型低溫制冷機做冷源的同類小型氦液化裝置的世界最好水平。據了解，該氦液化裝置將于11月底安裝于我國蘭州重離子加速器離子源裝置。
氦氣是稀有氣體，主要存在于天然氣中。即使是氦氣含量很低的天然氣，也比空氣中氦氣含量高數萬倍，因此仍是目前世界上氦氣的主要來源。其中，美國氦氣資源占50%以上，我國僅占0.2%。
氦氣在衛星飛船發射、導彈武器工業、低溫超導研究、半導體生產等方面具有重要用途，我國近年來對氦氣的需求量越來越大。受制于氦氣資源匱乏、提取氦氣的成本較高，我國在需求上一直依賴進口。2007年，美國將氦氣核定為戰略物資而限制粗氦產量，導致全球液氦價格由原來60～80元/每升，上漲到目前200元/每升以上。昂貴的液氦價格，使研究工作難以廣泛開展。專家預計，未來氦氣進口將更加受制于人，屆時可能會因為無液氦供應而使我國現有的許多涉及氦氣和液氦的科研項目無法實施。
在調查中了解到，實驗室中小型低溫科學試驗裝置的液氦蒸發率小的僅有幾升/天，大的也只有150升/天。如果專門配備標準氦液化器，按最小液化率20升/小時計算，每天將富余300～400升液氦，因此，必須配備液氦儲存容器、液氦輸液管、輸液管插接頭等，從而導致液氦在儲存和加注過程中的消耗量遠大于磁體系統的消耗量。另一方面，氦液化器占地面積大、維護復雜、操作需要專門技術人員，采用標準氦液化器為實驗室中小型低溫科學試驗裝置提供液氦在人力財力上都造成很大浪費。
針對實驗室中小型低溫科學試驗裝置液氦消耗量，需要建造合適的微小型氦液化裝置。據技術負責人龔領會介紹，目前市場上存在成熟的4K G-M制冷機和脈沖管制冷機產品，使建造微小型氦液化裝置成為可能。近5年來，發達國家如美國、德國、日本大力開發以這種制冷機做冷源的小型氦液化裝置，美國已開發出以單臺和三臺脈沖管制冷機做冷源的小型氦液化器產品。
以4K G-M制冷機做冷源的小型氦液化裝置從2009年4月開始研制。該系統無須循環泵、無須氣體純化、無須流量控制，依靠熱虹吸自然循環完成氦氣液化，從而使該小型氦液化系統操作簡單、運行安全可靠、建造成本低廉。
龔領會介紹說，蘭州重離子加速器的離子源超導磁體一直采用液氦浸泡冷卻，必須經常停源加氦，導致離子源裝置不能連續為加速器提供束流；同時，液氦蒸發造成運行費用很大。該小型氦液化裝置可完成氦氣室溫回收和液化，在確保磁體電流引線不受影響的同時，實現液氦的零加注，使重離子加速器的離子源在節約氦的同時可連續不間斷運行，保證了大科學裝置的運行時間。該技術還可應用于科研院所低溫科學儀器的氦氣回收和液化，有效降低科研成本；也可在醫院的超導核磁譜儀中應用，降低醫療費用。
氦氣是稀有氣體，主要存在于天然氣中。即使是氦氣含量很低的天然氣，也比空氣中氦氣含量高數萬倍，因此仍是目前世界上氦氣的主要來源。其中，美國氦氣資源占50%以上，我國僅占0.2%。
氦氣在衛星飛船發射、導彈武器工業、低溫超導研究、半導體生產等方面具有重要用途，我國近年來對氦氣的需求量越來越大。受制于氦氣資源匱乏、提取氦氣的成本較高，我國在需求上一直依賴進口。2007年，美國將氦氣核定為戰略物資而限制粗氦產量，導致全球液氦價格由原來60～80元/每升，上漲到目前200元/每升以上。昂貴的液氦價格，使研究工作難以廣泛開展。專家預計，未來氦氣進口將更加受制于人，屆時可能會因為無液氦供應而使我國現有的許多涉及氦氣和液氦的科研項目無法實施。
在調查中了解到，實驗室中小型低溫科學試驗裝置的液氦蒸發率小的僅有幾升/天，大的也只有150升/天。如果專門配備標準氦液化器，按最小液化率20升/小時計算，每天將富余300～400升液氦，因此，必須配備液氦儲存容器、液氦輸液管、輸液管插接頭等，從而導致液氦在儲存和加注過程中的消耗量遠大于磁體系統的消耗量。另一方面，氦液化器占地面積大、維護復雜、操作需要專門技術人員，采用標準氦液化器為實驗室中小型低溫科學試驗裝置提供液氦在人力財力上都造成很大浪費。
針對實驗室中小型低溫科學試驗裝置液氦消耗量，需要建造合適的微小型氦液化裝置。據技術負責人龔領會介紹，目前市場上存在成熟的4K G-M制冷機和脈沖管制冷機產品，使建造微小型氦液化裝置成為可能。近5年來，發達國家如美國、德國、日本大力開發以這種制冷機做冷源的小型氦液化裝置，美國已開發出以單臺和三臺脈沖管制冷機做冷源的小型氦液化器產品。
以4K G-M制冷機做冷源的小型氦液化裝置從2009年4月開始研制。該系統無須循環泵、無須氣體純化、無須流量控制，依靠熱虹吸自然循環完成氦氣液化，從而使該小型氦液化系統操作簡單、運行安全可靠、建造成本低廉。
龔領會介紹說，蘭州重離子加速器的離子源超導磁體一直采用液氦浸泡冷卻，必須經常停源加氦，導致離子源裝置不能連續為加速器提供束流；同時，液氦蒸發造成運行費用很大。該小型氦液化裝置可完成氦氣室溫回收和液化，在確保磁體電流引線不受影響的同時，實現液氦的零加注，使重離子加速器的離子源在節約氦的同時可連續不間斷運行，保證了大科學裝置的運行時間。該技術還可應用于科研院所低溫科學儀器的氦氣回收和液化，有效降低科研成本；也可在醫院的超導核磁譜儀中應用，降低醫療費用。
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（子妍）
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