en af vores teknikere klagede over helium. Især flydende helium. Det viser sig, at et af de instrumenter, der har brug for det, var lavt, og han havde problemer med at få mere. Mit første svar var-ja, selvfølgelig kan du ikke få det på grund af budgetproblemerne. Nej, Vi har pengene til helium. I stedet er der mangel på helium. Virkelig, dette er ikke gode nyheder. Hvorfor?
Ok, lad mig stille nogle spørgsmål og derefter besvare dem selv. For nogle af disse spørgsmål og svar giver jeg bare et omtrentligt svar. Det skal være klart, at jeg ikke er ekspert på helium. Det ved jeg godt. Hvis du indånder lunger fulde af helium og derefter løber ned ad gangen for at overraske nogen med din høje stemme, vil du gå ud. Ikke Scott?
Hvorfor er der en heliummangel?
ærligt, jeg kender ikke alle detaljerne. En del af svaret afhænger af politik. USA har en National Helium Reserve i Amarillo. Imidlertid havde helium Privatiseringsloven fra 1996 til formål at begynde at sælge dette. Resultatet er, at der ikke er så meget helium i reserven.
derudover har nogle af producenterne af helium haft deres egne forsyningsproblemer. De to af disse spørgsmål betyder sammen, at der ikke er så meget helium at gå rundt.
Hvor får du helium fra alligevel?
Du kan normalt finde helium på steder, hvor du finder naturgas. Problemet er, at det kan være svært at ekstra helium fra den anden gas. Det er nemmest, når minedrift “tør” naturgas (jeg ved virkelig ikke forskellen mellem tør og ikke-tør gas – jeg går bare efter det, jeg fik at vide). Energiselskaber er dog dem, der normalt får naturgas. For dem vil de have den “våde” naturgas. Så dette er en del af problemet med at få helium.
betyder det ikke flere fødselsdagsballoner?
med hensyn til total heliumforbrug er mængden, der anvendes i fødselsdagsballoner, ret lille. Meget større anvendelser er til vejrballoner og afkøling af ting med flydende helium. Imidlertid, de fleste mennesker ville sandsynligvis enige om, at i tider med mangel fødselsdag balloner er temmelig lav prioritet. Så ja, du vil have problemer med at finde helium til dine balloner. Jeg tror du kunne fylde dem med brintgas.
hvad med flydende helium?
den primære grund til at bruge flydende helium er, at det er koldt. Super koldt. Ved normalt atmosfærisk tryk koger flydende helium ved en temperatur på kun 4,2 kelviner (-452,11 Fahrenheit). Ja. Det er koldt. Hvad har brug for noget så koldt? Super ledende magneter. For nogle materialer, når du får dem koldt nok, går materialets modstand til nul ohm. Det betyder, at du kan køre noget strøm gennem det, og materialet vil fungere som en magnet. Ikke bare en hvilken som helst magnet, men en super stærk magnet.
hvem har brug for en supermagnet? De to mest almindelige anvendelser er til kernemagnetisk resonansspektroskopi (NMR) og magnetisk resonansafbildning (MRI). Lad os bare sige (for nu), at både NMR-og MR-instrumenter bruger store magnetfelter til at interagere med prøveens nukleare egenskaber. Ved at gøre dette kan du få geodata (i MR) eller sammensætningsdata (NMR). Jeg ved, at det nok er et forfærdeligt svar, men det skal være godt nok for nu.
Hvad sker der, hvis du holder op med at sætte flydende helium i en NMR?
Du sætter det flydende helium i NMR, og det holder magneten kold. Det gør det selvfølgelig, fordi noget af helium gør faseovergangen fra en væske til en gas, og det tager energi. Denne energi kommer fra magneten, hvilket får den til at falde i temperaturen. Hvis sagen var perfekt isoleret, ville der ikke være et problem. Men det er ikke perfekt. Så helium fortsætter med at fordampe for at opretholde magnettemperaturen. Til NMR ved Southeastern Louisiana University skal du tilføje omkring 30 liter flydende helium hver anden og halve måned.
men hvad sker der, hvis du ikke gør det. vil det bare ikke fungere? Hvis du ikke gør det, sker der dårlige ting. Husk, at der er en konstant strøm i denne superledende magnet. Det kan holde en konstant strøm uden en strømkilde, fordi modstanden er nul. Når det opvarmes, har det ikke længere en nulmodstand. Når der er en modstand, er der en stigning i termisk energi, som øger modstanden. For vores magnet lagres 49 kJoules energi i strømmen, og denne energi skal gå et sted, når magneten opvarmes. Denne proces kaldes”slukning”. Når magneten bliver varm, koger mere og mere af det flydende helium (og normalt er der noget flydende nitrogen, der hjælper med at holde det flydende helium køligt) ret hurtigt. Her er et eksempel.
Åh-og ja, der er en måde at varme op magneten uden dårlige ting sker. Det er dog ikke let at få det tilbage til arbejdstilstand.
Hvordan laver du flydende helium?
det er ikke let. Du kan ikke bare lægge en heliumballon i en fryser, før den bliver til en væske. Nå, det kunne du vel, hvis du havde en kold nok fryser. Problemet er, at fryseren skulle holdes kold med flydende helium eller noget. Lad mig forklare processen i over forenklede termer.
lad mig starte med et eksempel. Tag en af de store plastiksprøjter. Bare læg fingeren over enden og komprimere gassen indeni. Du bemærker måske, at røret bliver varmere. Hvis du holder det sådan i nogen tid, afkøles røret (og gassen indeni) til stuetemperatur. Træk nu stemplet ud igen for at udvide gassen. Når gassen udvides, bliver den koldere.
for helium tager du gassen og komprimerer den. Derefter køler du den komprimerede gas af og lader den udvide sig. Sådan. Du bliver bare ved med at gøre dette igen og igen, indtil du får tingene kolde nok. Der er nogle tricks, men det er den grundlæggende ide.
Kunne du ikke genbruge helium fra NMR?
Ja, det er teknisk muligt. Men det er også teknisk meget dyrt. Du skal have en enhed til at fange helium, da det bliver til en gas. Så bliver du nødt til at samle det og køre det i en heliumvæsker. Disse flydende stoffer er virkelig dyre. Så de fleste faciliteter får bare mere flydende helium hvert par måneder.
billede: Flickr