第五章氦和氖

第五章 氦和氖1 氦1. 1前言液氦具有许多独特的性质，特别是它的沸点，在所有的低温液体里是最低的。空气中的 氦气含量为5PPM。实际上，市场上出售的氦都是从天然气里提取的。，它在天然气中的含量 按体积计算一般为0.5-2.5%，偶尔可高达7%。还是以几种不同的同位素形式出现，最常见的是He4,其次是He3，但He3要比He4更少 见，只能在研究实验室里才能获得。如氦没有同位素标记的话，通常可认为是He4。氦作为一种液体，根据温度条件，它会呈现出两种极不相同的特性。在临界温度5.2K（-268 度）和入线之间，称作液氦I，它所呈现的特性在其它液体中，最具有代表性。在入线附近， 其有效传热效率达到特别高的程度一一要比铜大1000多倍。液氦广泛的应用于超导螺线管线圈工作、宇宙空间低温模拟以及利用低温方法产生超高 真空。液氦的性质奇特，故需要特殊的设备和加工技术。1. 2物理性质参见第一章表1，常用低温液体物理性质表。1. 3使用液氦时可能产生的危害使用液氦时可能产生的危害都是由其物理性质引起的：1）液体温度特别低（氦的温度之低为所有低温液体之首）2）液氦温度相当低，会使空气和其它气体冷凝及凝固。3）少量的液体很易转化成大容积的气体4）氦不会支持生命活动5）必须采用真空绝热的容器和输液管，以防止空气和其它气体冷凝6）许多材料都不适用于液氦设备，因为它们在低温下脆裂。甚至有些适用于液氦温度的 钢材，在与液氦接触时也会发脆。1. 4使用液氦时应该采取的防护措施在使用液氦前，应再检查一下有关的工序，并采用相应的安全规范和防护措施。1. 4. 1防护衣服使用液氦时应戴面罩或安全护目镜来保护眼睛。在操作与液氦接触或已接触过的东西 时，需戴好结实、宽松的皮手套。如发生事故手套应很易脱下。但应记住，即使戴上手套与 低温设备接触也只能是短时间。建议穿上工作外套或类似的衣装，它们应没有口袋或翻翘之 处，这样液体就不能溢入或溅入进去。可能的话应穿上能盖住长靴子或鞋子外面的长裤。有关低温灼和伤冻的一般情况，请参见第一章第1.1节。1. 4. 2在极低温下使用材料的可能产生的危害必须考虑本书在第一章2.3节中所提到的有关低温下材料机械性能的一般要点。1. 4. 3冷凝和凝固液氦的温度相当低，会使其它气体冷凝和凝固。因此必然会发生管道和排气口堵塞的危险。所以贮存和处理液氦必须在正压或封闭系统 里进行，以防止空气或其它气体渗入或凝固。1. 4. 4富氧的危害因为空气会在氦冷却表面上冷凝，所以存在着富氧的危害。氮的沸点比氧低，因此会首先 从冷凝的空气中蒸发出来，而留下富氧液体。因而所有这样的表面必须清理干净，达到氧所 需的清洁标准，并保持无油、无油脂、无其它可燃物质。一般说来，不应使用泡沫型聚合物做绝热材料进行绝热。1. 4. 5液体的蒸发因为液氦的克分子蒸发潜热相当低（小于液氮潜热的1/50）。液氦遇热或者第一次输送进 温度较高或部分被冷却的设备时，就会迅速蒸发。容器绝热区间真空度稍有破坏，就会立即 加快液体的沸腾和蒸发的速度。因而液氦设备的泄压装置必须要有足够大的容量来释放因热量输入所产生的氦蒸汽，避 免容器内压力过高。1. 4. 6氦的窒息性质氦气是惰性气体，它能取代空气中的氧而起窒息作用。因此在大量氦蒸发时，必须注意在 氦释放的附近会产生缺氧的现象。因此要操持良好的通风，特别是设备采用氮气或氦气进行 预冷和置换时更应如此。1. 4. 7运送氦杜瓦容器的防护措施杜瓦容器应尽量减少泄漏热量。容器的大部分内部支撑是在瓶头和容器的底部处。因此， 杜瓦容器不能倾斜，不能受机械冲击，特别是容器装满液体时更应注意。1. 4. 8压力过高在进行输液作业时，必须注意防止可能产生的氦杜瓦容器压力过高现象。用户应该向设 备厂家询问有关操作规程等方面的资料。1. 4. 9有限制地使用氦杜瓦容器氦杜瓦容器是根据严格的机械规范设计制造的，不能用来盛放其它液体，因为其它液体 比重较大，会使悬吊装置遭到损坏。1. 4. 10热振荡氦的另一个更为奇特的性质是它会引起热振荡。这些振荡是压力振荡，是由温度梯度、 传热和流体流动效应的特殊结合而引起的。会发生在杜瓦容器固定部分一一输液管里。这种 现象会导致氦的严重损耗。1. 5液氦的输送由于液氦的蒸发潜热非常小，所以它必须用绝热性能好的真空套管管路进行输送。非真 空绝热输送会使全部液体气化。输液管和转注接受容器必须用纯净、干燥的氦气进行充分的吹洗。在输液部件装配前， 必须注意将所有接头都要进行吹洗，任何将用氦冷却的管路末端或辅助部分也应吹洗。输送压力可利用正常的蒸发压力的积聚来提供，即采用一只加压球来提供，或从调好的 气瓶中向容器加入纯氦气来提供。由于氦的独特性质，故输送液氦最好在低压力下进行。在液氦作业时，会发生压力振荡。如发生此种情况，输液应停止进行。纠正方法是变动 输液管与接收容器内部部件的位置即可。改变接收容器内热空间的体积就可消除持续的振荡。塞进泡沫玻璃塞就可使体积发生变 化。液氦应直接注入接收容器的底部，以防止过量的沸腾和飞溅。输液管要经过氦预冷后，方能插入接收容器里去。这些容器的开口在灌充后应加以限制，或装上泄压装置，以便保持容器内的正压。2、氖2. 1前言液氖的沸点较低为27K（-246度），所以液氖在低温性质方面有许多是类似于液氦的。氖在空气中的含量为15.5PPM氖以数种同位素形式存在。氖通常用于制造辉光放电管，也有少量的氖用于低温制冷剂。作为制冷剂它要比氢安全， 因为它是不可燃的，而氖的蒸发热又比氦高。2. 2物理性质参见第一章表1的常用低温液体的物理性质。2. 3使用液氖的潜在危害液氖的物理性质决定了使用液氖的潜在危害性。它有如下特点：1）液体温度相当的低2）液氖的极低温度会使空气冷凝并凝固3）少量液体很易转变成大容积的气体4）氖不会支持生命活动5）必须采用真空绝热的容器和输液管，以防止空气和其它气体发生冷凝6）许多材料都不适用于液氖设备，因为它们在低温下会发脆，甚至有些适用于液氮温度的钢 材，在于液氖接触时也会发脆。7）应注意液氖的密度要明显地大于液氮，故液氖杜瓦容器的机械结构并不适用于液氖。2. 4使用液氖时所要采取的防护措施在使用液氖前，应再检查一下有关的工序并采用相应的安全规范和防护措施。2. 4. 1防护衣服采用戴面罩或安全护目镜来保护眼睛。当操作与液氖接触或已接触过的东西时，须戴 好结实、宽松的皮手套，以防止发生事故不易脱下。应记住甚至再戴上手套时也只能短时间 地接触低温设备。建议穿上工作外套或类似的服装，它们应没有口袋或翻翘处，这样液体就 不能溢入或溅入进去。可能的话应穿上能盖住长鞋和靴子外面的长裤，最好能盖住橡胶长靴。有关低温冷灼伤和冻伤的一般情况参见本手册第一章1.1节。2. 4. 2在极低温下使用材料可能产生的危害必须考虑本手册在第一章2.3节种所提到的有关低温下材料机械性能的一般要点。2. 4. 3冷凝和凝固液氖温度相当低，这会引起与其它接触的其它气体发生冷凝和凝固。因此，会发生液氖管道和排气口的堵塞危险。因而贮存和处理液氖必须在正压或封闭系 统里进行。以防止或其它气体渗入和凝固。2. 4. 4富氧的危害因为空气会在氖冷却表面上冷凝，所以存在着富氧的危险。氮的沸点要比氧低，因此首 先会从冷凝的液空中蒸发出来，而留下富氧液体，因而所有这样的表面必须清理干净，达到 氧所需的清洁标准，并保持无油、无油脂，无其它可燃物质。一般说来，不应使用泡沫型聚合物绝热材料，理由是空气会冷凝，氧气会在可燃的绝热 材料中富化而引起爆炸燃烧。通常低温氖容器和管道都采用非易燃的超绝热材料进行绝热。2. 4. 5液体的蒸发容器绝热区间的真空度稍有破坏，就会立即加快液体的沸腾和蒸发速度，因而液氖设备 上的泄压装置必须要有足够的容量来释放因热量输入所产生的氖蒸汽，避免容器内压力过高。2. 4. 6氖的窒息性质氖气是惰性气体，它能取代空气中的氧起到窒息作用。因此在大量氖被蒸发的地方，必 须注意在氖释放的附近会产生或缺氧的现象。一定要保持良好的通风，特别是设备正用氮气 或氖气进行预冷时更应如此。2. 4. 7运送氖杜瓦容器的防护措施杜瓦容器应能减少热传导的作用（以及热对流和热辐射）。容器的大部分内部支撑是在瓶 颈和容器的底部处。因此杜瓦容器不能倾斜，不能受机械冲击，特别是容器装满液体时更应 注意。2. 4. 8压力过高在进行输液作业时，必须注意防止可能产生的氖杜瓦容器压力过高现象。用户应该向设 备供应厂家询问有关操作规程等方面的资料。2. 5液氖的输送液氖应通过绝热性好的真空套管管路进行输送，非真空绝热会造成液体的损失。输液管和接收容器必须用纯净、干燥的氖气进行充分的吹除。在输液部件装配前，必须 注意要将所有接头进行吹洗，任何将用氖冷却的管路末端或辅助部分也应吹洗。输送压力可由正常的蒸发压力的积聚来提供，即采用一只加压球胆来提供，或从调好的 气瓶中向容器加入纯氖气来提供。由于乃的独特性质，故输送液氖最好在低压下进行。如在输送液氖时发生压力振荡，输液应该停止进行。纠正方法是变动输液管与接收容器较 热的内部部件的位置即可。改变接收容器的热空间的体积就可消除持续的振荡。塞进泡沫玻璃塞就可使体积发生变 化。液氖应经真空套管或绝热输液管进行输送。输液管的出口应低于最后的液面高度。液氖不应与要被冷却的材料紧密接触。液氖应直接注入容器的底部，以防止过量的沸腾 和飞溅。这些容器的开口在灌充后应加以限制，或装上泄压装置，以便保持容器内的正压。一只小的液氖容器经预冷至液氮温度后，要待冷的氖蒸汽开始从容器输液管刨出来，再 将氖输液管插入小杜瓦容器，这样做效果会更好些。否则的话，输液管冷却过程中产生的膨 胀热气会产生较大的背压。