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液態氦——開啟低溫物理學之門

液態氦的特性現今已被廣泛運用在科學研究用的核磁共振儀(NMR)、醫學檢驗用的核磁共振顯像儀(MRI)和磁浮列車等,甚至近年赫赫有名屢傳重要發現的歐洲大型強子對撞機,也都有賴於液態氦氣的低溫系統來冷卻超導磁鐵,從而發揮強大的作用。
 
 
液態氦的各項應用示意圖。物理學家昂內斯使用級聯法達成首次成功液化氦,獲得了1913年諾貝爾物理學獎的桂冠,也獲得「絕對零度先生」的名號。
 
氦氣的液化
 
液態氦,這個聽起來再普通不過的名詞,卻是讓人類踏入絕對零度世界的大功臣,而液態氦的發現也成為了超導物理學的濫觴。物理學家昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes)是首次成功液化氦的人,也因為這個重大的貢獻,讓他獲得了1913年諾貝爾物理學獎的桂冠。

科學界將氣體元素液化的動機,原先只是想證明凡得瓦(Johannes van der Waals)提出的狀態方程式,對於三相(固態、液態和氣態)變化的見解。在1908年以前,僅剩氦氣尚未被液化。但液化氦氣看似僅是一步之遙,卻因氦氣為惰性元素,除了本身分子量極低外,原子間交互作用也很弱。曾經成功液化氫氣的杜瓦,在費盡心思卻苦無結果後甚至認為這是一個不可能的任務。然而昂內斯鍥而不捨,最終在1908年7月成功的液化了氦氣。

昂內斯採用了級聯法(cascade method)來液化氦氣:他先將氦氣壓縮至20大氣壓,透過液態氫吸收氦氣的熱能讓氦氣急遽降溫,再讓已冷卻的氦氣作節流膨脹,終於成功得到了60毫升的液態氦氣。其原理為:粒子動能降低時系統會隨之降溫,當粒子動能達到最低點時,系統溫度即為熱力學預測的最低溫度,稱之絕對零度,等同於 -273.15oC(0 K)。昂內斯透過氦的氣化過程放熱,將系統溫度降至 -269.2oC(4.2K),之後又繼續降溫至1.38-1.04 K,遠遠打破了前人的紀錄,為他贏得了絕對零度先生的名號。
 
液態氦的應用
 
以液態氦作為冷媒,昂內斯觀察到固態汞金屬的電阻會隨著溫度下降緩慢降低。令人意料的是,在溫度降至-269oC時,汞金屬電阻竟消失無蹤了。這種突變的現象被稱為超導轉變(Superconducting transition),和我們所熟知的三相間的轉變同屬自然界中的相變,但被稱為宏觀量子態。零電阻對於人類在電機應用上極具效益,因為零電阻有助於減少電能傳輸時的損失,在電磁線圈的應用上也能產生極高的磁場。此一特性現今已被廣泛運用在科學研究用的核磁共振儀(NMR)、醫學檢驗用的核磁共振顯像儀(MRI)和磁浮列車等,甚至近年赫赫有名屢傳重要發現的歐洲大型強子對撞機,也都有賴於液態氦氣的低溫系統來冷卻超導磁鐵,從而發揮強大的作用。

地球上的氦氣大多是從重放射性元素的自然放射α衰變(alpha-decay)而得,然而氦氣就如同石油般,為不可再生的資源,假如地球的氦氣耗盡了,是沒有任何物質可以取代的。為了避免資源枯竭,氦氣的回收極其重要。台灣並不產氦氣,故所需的液態氦氣皆仰賴美國海運進口,但因近年國際情勢不穩,氦氣的價格也常有波動,使得各國的高端科學研究和醫療檢測備受壓力。
 
位於新竹的國家同步輻射研究中心設置有低溫小組,他們成功研發了再冷凝式液氦製造機,搭配4K低溫冷凍機來冷凝氦氣,由於系統內裝置了輻射隔離檔板結構,有效降低機器之熱負載,故可成功將常溫氦氣液化。低溫小組建置之低溫系統是目前台灣最大型之液態氦系統,可用於台灣光子源(TPS)和台灣光源(TLS) 的超導高頻共振腔、超導差件磁鐵,以提昇儲存環電子束電流與電子束的穩定性,為台灣超低溫相關領域開發、製造與應用之重要團隊。而且此低溫小組無論在氦氣液化系統設計與製造程序、高純度氦氣儲存、多低溫系統間相互支援運轉等相關之低溫技術、以及有關的公共安全問題研究,也直接帶動了台灣低溫技術的提升。
 
來源:
  • Rudolf de Bruyn Ouboter Heike Kamerlingh Onnes’s Discovery of Superconductivity. Scientific American, 1997
  • Dirk van der Marel and Mark Golden Heike's heritage Nature Physics 2011 7, 377–378
  • Heike Kamerlingh Onnes – Facts. NobelPrize.org. Nobel Media
  • Helium Recovery and Recycling MakesGood Business Sense. Industrial Heating, 2004
  • 國家同步輻射中心中心簡介-儀器發展組-低溫小組
  • 原標題: 液態氦氣 開啟低溫物理學之門
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