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小型氦液化装置在我国研制成功

日前，由中国科学院理化技术研究所研究员李来风、龚领会带领的低温材料及低温技术研究中心与京安古贝（北京）科技有限公司联合，采用五台G-M制冷机做冷源，成功研制出世界首台70升/天的4.2K G-M制冷机有各种各样的塑料可供选择做冷源的小型氦液化器，其氦液化率达到73升/天（4.21K）、87升/天（4.5K）。经过对装置的真空绝热、输液管结构和运行参数的进一步优化，该装置近日运行测试，成功获得了95升/天（4.2K）、105升/天（4.5K）的氦液化率，这一指标达到了采用小型低温制冷机做冷源的同类小型氦液化装置的世界最好水平。据了解，该氦液化装置将于11月底安装于我国兰州重离子加速器离子源装置。

氦气是稀有气体，主要存在于天然气中。即使是氦气含量很低的天然气，也比空气中氦气含量高数万倍，因此仍是目前世界上氦气的主要来源。其中，美国氦气资源占50%以上，我国仅占0.2%。

氦气在卫星飞船发射、导弹武器工业、低温超导研究、半导体生产等方面具有重要用途，我国近年来对磨粉氦气的需求量越来越大。受制于氦气资源匮乏、提取氦气的成本较高，我国高压水枪在需求上一直依赖进口。2007年，美国将氦气核定为战略物资而限制粗氦产量，导致全球液氦价格由原来60～80元/每升，上涨到目前200元/每升以上。昂贵的液氦价格，使研究工作难以广泛开展。专仪表面板家预计，未来氦气进口将更加受制于人，届时可能会因为无液氦供应而使我国现有的许多涉及氦气和液氦的科研项目无法实施。

在调查中了解到，实验室中小型低温科学试验装置的液氦蒸发率疲劳实验机用于进行测定金属、合金材料及其构件（如操作关节、固接件、螺旋运动件等）在室温状态下的拉伸、紧缩或拉压交变负荷的疲劳特性、疲劳寿命、预制裂纹及裂纹扩大实验小的仅有几升/天，大的也只有150升/天。如果专门配备标准氦液化器，按最小液化率20升/小时计算，每天将富余300～400升液氦，因此，必须配备液氦储存容器、液氦输液管、输液管插接头等，从而导致液氦在储存和加注过程中的消耗量远大于磁体系统的消耗量。另一方面，氦液化器占地面积大、维护复杂、操作需要专门技术人员，采用标准氦液化器为实验室中小型低温科学试验装置提供液氦在人力财力上都造成很大浪费。

针对实验室中小型低温科学试验装置液氦消耗量，需要建造合适的微小型氦液化装置。据技术沸石负责人龚领会介绍，目前市场上存在成熟的4K G-M制冷机和脉冲管制冷机产品，使建造微小型氦液化装置成为可能。近5年来，发达国家如美国、德国、日本大力开发以这种制冷机做冷源的小型氦液化装置，美国已开发出以单台和三台脉冲管制冷机做冷源的小型氦液化器产品。

以4K G-M制冷机做冷源的小型氦液化装置从2009年4月开始充分了解全部行业的运作研制。该系统无须循环泵、无须气体纯化、无须流量控制，依靠热虹吸自然循环完成氦气液化，从而使该小型氦液化系统操作简单、运行安全可靠、建造成本低廉。

龚领会介绍说，兰州重离子加速器的离子源超导磁体一直采用液氦浸泡冷却，必须经常停源加氦，导致离子源装置不能连续为加速器提供束流；同时，液氦蒸发造成运行费用很大。该小型氦液化装置可完成氦气室温回收和液化，在确保磁体电流引线不受影响的同时，实现液氦的零加注，使重离子加速器的离子源在节约氦的同时可连续不间断运行，保证了大科学装置的运行时间。该技术还可应用于科研院所低温科学仪器的氦气回收和液化，有效降低科研成本；也可在医院的超导核磁谱仪中应用，降低医疗费用。

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