氦气保存能力

据中科院宁波材料技术与工程研究所网站6月10日消息，为什么月球具有丰富的战略资源氦-3？氦-3在月球上是以什么形式储藏的？如何原位开采氦-3？最近研究发现月壤玻璃在捕获和保存氦-3气体中发挥了关键作用。氦-3作为氦（元素周期表中第二个元素）的一种同位素，在能源、科学研究等领域具有重要应用价值。比如，作为一种可控核聚变的燃料，氦-3核聚变产生的能量是开采所需能量的250倍，是铀-235核裂变反应（约为20）的12.5倍。100吨氦-3核聚变产生的能量即可供应全球使用1年，且氦-3核聚变过程无中子二次辐射危险，更加清洁和可控。另外，氦-3是获得极低温环境的关键制冷剂，是超导、量子计算、拓扑绝缘体等前沿研究领域的必需物质。然而，地球上氦元素主要是氦-4，氦-3储量只有0.5吨左右，远远无法满足现有需求。氦-3是太阳风的重要成分，月球由于常年受太阳风的辐照，储存了大量氦-3。但是为什么月球具有丰富的战略资源氦-3？氦-3在月球上是以什么形式储藏的？这些问题还没有明确的答案。探索月球资源，特别是氦-3的含量、分布和开采，已经成为当前国际深空探测的必然趋势和主要任务。因此，从20世纪末开始，全球掀起了新一轮的月球“淘金热”，使探月工程和科学研究达到新的高潮。但是如何原位、高效开采氦-3还是科学和技术难题。以往研究认为氦-3溶解在月壤颗粒中，提取氦-3受扩散速率限制，需要700℃以上的高温，不但耗能较高，而且速度慢，不利于在月球上原位开采。因此，探明月壤中氦-3的储藏形式，对未来认识月球是如何捕获氦-3，如何开发利用氦-3资源至关重要。由嫦娥五號採集的月球樣品（月壤）近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所、航天五院钱学森实验室、中国科学院物理研究所和南京大学等联合团队，对嫦娥五号月壤颗粒中的氦原子进行了探测和研究。发现月壤中钛铁矿颗粒表面都存在一层非晶玻璃。研究人员通过高分辨透射电镜结合电子能量损失谱法，在玻璃层中观测到了大量的氦气泡，直径大约为5～25nm，且大部分气泡都位于玻璃层与晶体的界面附近。而在颗粒内部晶体中，基本没有氦气泡。鉴于氦在钛铁矿中的高溶解度，研究人员认为氦原子首先由太阳风注入钛铁矿晶格中，之后在晶格的沟道扩散效应下，氦会逐渐释放出来。而表层玻璃具有原子无序堆积结构，限制了氦原子的释放，被捕获并逐渐储存起来，形成了气泡。玻璃态材料特殊的无序原子堆积结构具有极高的稳定性，比如玻璃态琥珀可以将生物标本保存上亿年、氧化物玻璃可以将核废料储存上千年。这项工作表明钛铁矿玻璃也具有极高的稳定性，在月球上捕获并保存了丰富的氦-3资源。工作表明，通过机械破碎方法有望在常温下提取气泡形式储存的氦-3，不需要加热至高温。而且，钛铁矿具有弱磁性，可以通过磁筛选与其他月壤颗粒分开，便于在月球上原位开采。通过进一步计算，研究人员发现气泡中的氦气原子的数密度达到50-192 He/nm3，具有极高的压力。根据月球上钛铁矿总量估算，以气泡形式储藏的氦-3总量或高达26万吨，如果全部用于核聚变，可以满足全球2600年的能源需求。这些结果不但为月球上氦-3的富集机理提供了新的见解，也为未来月球氦-3的原位开采利用奠定了理论基础，对探寻月球资源的有效利用路径具有重要意义。该工作以“Taking advantage of glass: Capturing and retaining of the helium gas on the moon”为题发表在《材料未来》期刊（Materials Futures，DOI:10.1088/2752-5724/ac74af）。本工作由中科院物理所汪卫华院士、航天五院杨孟飞院士、南京大学邹志刚院士领衔的月壤物性研究及综合利用项目团队完成，月壤样品编号CE5C0400。中科院宁波材料所王军强研究员、霍军涛研究员、许巍副研究员和中科院物理所白海洋研究员为共同通讯作者。中科院宁波材料所李傲、陈霄、宋丽建博士和陈国新博士为共同第一作者。图1、（a）EDS显微图，一颗形似康乃馨花的月壤钛铁矿颗粒（花托部分）和粘接的胶结物质（花冠）；（b）透射电镜下观测到的一个氦气泡的放大图，红色为Fe元素分布情况；（c）月壤钛铁矿表面形成了玻璃层，氦气泡主要在玻璃层中；（d）图（c）中不同位置的电子能量损失谱曲线。 图源：中科院宁波材料技术与工程研究所（中科院磁性材料与器件重点实验室 王军强）

空气可能是我们最熟悉，也被认为是最廉价的东西。但在地球大气层中，有一种气体却被誉为“黄金气体”，在地球大气层中所占的比例只有几百万分之一，这就是氦气。但实际上，氦气深藏于地壳深处，一旦被开采出来，就会像氦气球一样飘散到天空，进入宇宙空间。目前人类主要的氦气来源就是开采石油和天然气中产生的副产品。氦气，英文名为Helium，化学元素符号为He，是种无色无味、低密度、不可燃的惰性气体。它的沸点是零下268.9摄氏度，与人类所说的绝对零度只有一点点距离，所以氦气在低温领域有巨大的应用价值，被广泛应用于军工、石化、制冷、医疗、半导体、管道检漏、超导实验、金属制造、深海潜水、高精度焊接、光电子产品生产等高科技领域。东京大学物性研究所里面的氦气储存罐图据《日刊工业新闻》在光电子产品领域，搭配氖气的氦氖混合气体是用作原子气体激光发生器的主要工作物质。氦氖激光器（Helium-Neon gas laser）是首先发明的气体激光器，也是目前应用领域很广的一种激光器。氦氖激光器的激光管内的气体在一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电）下，管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞，产生了激光输出须具备的基本条件。He-Ne气体在发生受激辐射时，分别发出波长3.39μm，632.8nm，1.53μm三种波长激光，除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。通过反射镜的反射率设计，只输出一种632.8nm的激光。内腔式激光器结构图除了宝石晶体激光器，氦氖激光器在光束质量方面则是各种激光器中的翘楚。由于它能输出优质的连续运转可见光，光束方向性和单色性好，光束发散角小，非常接近完美的高斯分布。氦氖激光线宽窄干涉性能优良、稳定性高在诸多激光器中是首屈一指的，这已经是光学界的共识。而且具有结构简单、工作性质稳定、使用寿命比较长等优点，在全息照相、测量、精密计量等方面得到广泛应用，是高精度光学应用领域采用最多的激光器。以其为重要光学元件组成的光学测量仪器——氦氖激光粒度分析仪也成为高性能激光粒度仪的代表。LS-609激光粒度分析仪采用进口He-Ne气体激光光源，光学质量更好，更加稳定可靠，预热时间短，使用寿命更长测量范围：0.1~1000μm珠海欧美克仪器一直采用氦氖激光器作为主光源激光器，大多数仪器均采用JDSU品牌进口产品，不仅光学质量更好，输出单模偏振激光偏振比达500:1以上，光束中TEM00模占比达95%以上，而且更加稳定可靠，5分钟预热即可达到测试稳定性要求，测试周期内功率波动小于0.5%，大大提高了系统对有效信号的分辨能力。同时该He-Ne激光管的硬封装（hard seal）工艺使得工作气体不会散逸，完美的解决了早期He-Ne激光管气体散逸导致的平均寿命较短问题，进而适合于要求更为苛刻的应用。Topsizer Plus激光粒度分析仪采用以长寿命、低噪声、高稳定性著称的进口氦氖激光器及配套电源测量范围：0.01~3600μm（湿法，取决于样品），0.1~3600（干法，取决于样品）Topsizer Plus激光粒度分析仪欧美克仪器于2019年推出的一款高端粒度分析仪器。该仪器引入了先进的光学设计，采用以长寿命、低噪声、高稳定性著称的JDSU品牌进口氦氖激光器及配套激光电源，使激光衍射法的测试范围达0.01~3600um，具有量程宽、重复性好、分辨力高、真实测试性能强等优点，代表了当前国产激光粒度仪的前沿技术水平。Topsizer Plus通过进一步提升光学设计、硬件和反演算法，拓展了其测试范围、自动化水平以及实际测试性能，应用遍及锂离子电池、制药、水文、精细化工、机械、建材、能源、医药等现代工业的各个领域。Topsizer系列产品保证了测试结果和分析能力与国内外、行业上下游黄金标准保持一致，这不仅为用户节省了方法开发和方法转移上的时间和成本，更重要的是可避免粒径检测不准带来的经济损失和风险，无论在研发、过程控制还是质量控制上，都能够为用户带来真正的价值。参考资料：1. 百度文库，《氦-氖激光器简介》

对于GC和GCMS来说，氦气因其化学惰性好和传质阻力小，是非常理想的载气，目前在GC高灵敏度分析、介质阻挡放电等离子体检测器（BID）、硫化学发光检测器（SCD）等技术中应用广泛。然而，氦气这种“黄金气体”，近年来经常出现短缺现象，价格压力和供应不确定性已成为全球GC/GCMS实验室面临的重大问题之一。由于全球供应链等多方面因素影响，当前时期也被业界戏称为“氦气短缺4.0”，很多分析人员开始关心——实验室的这瓶氦气到底能用多久？ 我们总结了岛津GC应对氦气短缺问题的实操方案：氦气节省策略和气体替换策略，本篇将首先为您分享氦气节省策略。（GCMS的应对策略请参考：气质百川之三丨优化氦气使用or替代氦气，哪种你最中意？） 载气节省功能 & 气体智选阀载气节省功能是指当使用分流/不分流进样方法时，进样期间，正常分流比进行，进样完成后，通过降低分流比来减少分流流路排出的载气量，从而大幅降低载气消耗。假设样品进样时分流流量设置为50mL/min，其他时间分流流量降为5mL/min，同时批处理完成后，GC仍将保持载气节省状态直至下一个批处理分析启动，在这个条件下，估算可降低约83%的氦气消耗。 气体智选阀选件（PN: S221-84916-41）是岛津专门开发的气体切换组件，可让GC进样单元同时连接两路载气，分析时根据工作需要实现在这两种载气间进行自动无缝切换，从而实现分析的精细化和智能化。 图1. 气体智选阀功能说明动画 通过 “气体智选阀”，常规样品分析时，正常使用氦气；分析结束待机时，可自动切换到其他替代气体（氮气或氢气），尽可能降低氦气的消耗量，节省实验室气体运行成本。该切换控制功能无缝嵌入到LabSolutions GC工作站中，操作简单直观。 图2. 载气节省功能+气体智选阀功能效果图示 通过使用【载气节省功能+气体智选阀】，氦气消耗量将大幅下降，估算降低约90%。 图3. 载气节省功能+气体智选阀功能效果估算 自动启动和停止功能自动启动功能可在指定时间自动启动气路控制和温度控制；分析结束后，自动停止功能可对GC进行自动降温和关闭载气，从而实现节省电力和氦气消耗，这对于样品量大，经常需要连续分析或者需要过夜分析的用户来说，非常有用。假设按照每天24小时中有6小时处于GC待机状态来估算，则可节约25%的氦气消耗。自动启动/停止功能，提高了分析效率，降低了运行成本。 图4. 自动启动和停止功能效果图示 【预老化】&【LabSolutions Direct】【预老化功能】通过软件内置的选项，在分析开始前自动执行定制化的老化操作，让分析结果更加稳定可靠，一定程度上避免了数据异常的可能性和重复分析的负担。 【LabSolutions Direct远程访问工具】可通过智能手机或平板电脑上简洁的用户界面实现对GC系统的远程控制或监控。即使在远离实验室的其他地点，也可及时了解实验状态，调整分析安排和提高效率。这两个功能均是从侧面节省了氦气。 下期预告：气体替换策略 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。