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氦-3

氦(He)属于元素周期表中的0族元素，总共存在8种同位素，从He-3到He-10，其中只有He-3及He-4较稳定，其他同位素都具有放射性。地球上氦元素中属He-4的含量最多，约占99.9%；He-3的含量极小，空气中氦气成分里He-3和He-4的比例大约为10-6：1。He-3和He-4在物理和化学性质上表现出较多的一致性，在室温和大气压力下都是无色、无味、无毒、不燃烧的惰性气体，化学性质极为稳定；都具有极低的临界温度和正常沸点，都不存在三相点，都属于量子流体，存在超流现象等。但是原子结构的不同，使得它们在物理性质上也存在很大的差异，尤其在低温下差异更加明显。

根据量子粒子的特性，He-4的核自旋为偶数，是玻色子；而He-3的核自旋为奇自旋，是费米子。在接近绝对零度的低温下，这两种同位素都服从量子力学的原理，但两者遵循的统计规律是不同的，He-4遵循玻色一爱因斯坦(BE)统计，在2.172K下发生玻色爱因斯坦凝聚转变为超流态；而He-3遵循费米--狄拉克(FD)统计， 在2.6mK下才能发生类似超导体的BCS型凝聚而转变为超流态， 这个温度比He-4的入转变温度低了3个数量级。在宏观上，相同温度下He-3蒸气压比He-4要大许多，例如在1K时，He-3的饱和蒸气压比He-4大80倍，在0.5K时两者则相差近10000倍。

氦-3的应用

氦-3在低温制冷领域的应用

He-3的独特性质引起低温物理和低温工程领域研究者的极大兴趣，其中最令人注目的

是He-3在获取1K以下低温环境所扮演的独一无二的角色，而这个温度区间正是基础物理

学等现代高新科学研究的重要领域。He-3具有低沸点、低密度、高比热容、高热导率等性质，这些性质使它成为低温工程中极为特殊的一种制冷工质，尤其是在接近绝对零度的极低温下。

1956年，瓦尔特斯（G. K. Walters）和费尔班克斯（W. M. Fairbanks）发现，温度在0.87K以下时，3He和4He混合液分成两个完全不同的相，较轻的富3He相浮在上层，而较重的富4He相沉在下层。富3He相也称浓缩相，在0.3K以下时几乎是纯3He。富4He相则称为稀释相，它含有6.4%的3He，即使接近绝对零度也仍有6.4%的3He溶解在4He中。这一特性成为可连续获得毫开温度的稀释制冷机的基础。

1962年，H．伦敦和门德尔松（KurtMendelssohn）等人再次提出稀释制冷实用技术方案。稀释制冷原理与蒸发制冷有相似之处。低温下4He呈超流态，是惰性液体，而3He仍为正常流体，是个活跃成分。因此，若一个容器中盛有3He-4He混合液，下层的富4He相对于上层富3He相来说，可以认为是只起支撑或“机械真空”的作用。只要采取某种方式除去一些富4He相中溶解的3He，下层富4He相中3He浓度降低，势必破坏两相间的平衡，富3He相中的3He原子将穿过分界层扩散到富4He相中去。从界面上看，这相当于3He蒸发，只不过3He分子不是蒸发进入气相空间，而是“蒸发”进入液相的超流态4He中。这个过程实际上是3He不断被稀释的过程，若稀释持续下去，液体就不断被冷却。因此这种制冷方式称为稀释制冷。

当然3He-4He稀释制冷与3He的蒸发制冷还是有很大区别。前面已经提到，在蒸发制冷过程中，随着温度下降，3He蒸气压急剧降低，最终无气可抽而不得不终止制冷过程，这限制3He蒸发制冷的极限温度是0.25K。稀释制冷则不同，富4He相中3He的含量不变，不管温度多低，抽气机总可以维持恒定的3He循环量，因此可以得到比3He蒸发制冷低得多的温度。