کاربرد گاز هلیم


 

گاز هلیم به خاطر خواص منحصربفرد گاز نجیب، در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می‌شود. نمودار زیر زمینه‌های کاربردی اصلی را نشان می‌دهد که گاز هلیم در آنها مصرف می‌شود. هر زمینه کاربردی مربوط به یک یا چند مورد از خواص گاز هلیم می‌شود.

در اینجا زمینه‌های کاربردی هلیم به صورت مفصل‌تر توضیح داده می‌شود

سرمازایی

گاز هلیم به عنوان خنک‌کننده فوق‌العاده برای کاربردهای سرمازایی مانند ام.ار.آی(تصویرسازی تشدید مغناطیسی)، طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای(NMR)، شتاب‌دهنده‌های ذرات، برخورد دهنده‌های درونی بزرگ (ال.اچ.سی)، دستگاه تداخل ابررسانا کوانتومی(SQUID)، تشدید پارامغناطیسی اسپین الکترون(ESR)،  ذخیره انرژی مغناطیسی با ابررسانایی(SMES)، انتقال برق، حمل صفحات مغناطیسی، سنسورهای ابررسانا، طیف‌سنجی جرمی، آهنرباهای ابررسانا، میدان قوی جداکننده مغناطیسی، آهنرباهای ابررسانا در زمینه تریل برای راکتورهای همجوشی و دیگر تحقیقات سرماشناسی به کار می‌رود. هلیوم مواد ابررسانا را در دمای پایین سرد کرده و آهن‌رباهای ابرمغناطیسی را در دمای پایین و نزدیک به صفر مطلق سرد می‌کند، بنابراین مقاومت الکترونیکی ابررسانا به طور ناگهانی تا صفر کاهش می‌یابد. مقاومت الکترونیکی بسیار پایین در ابررساناها آنها را قادر به تولید میدان مغناطیسی قوی‌تر می‌کند. در مورد تجهیزات MRI  در بیمارستان، هر چقدر میدان مغناطیسی قوی‌تر باشد، جزئیات بیشتری در اسکن تصویری رادیولوژی ظاهر می‌شود. هلیوم به عنوان ابرخنک‌کننده استفاده می‌شود، زیرا دارای پایین‌ترین نقطه ذوب و نقطه جوش در میان عناصر است، هلیوم در فشار اتمسفر جامد نمی‌شود و از نظر شیمیایی بی‌اثر است. به علاوه، هلیوم در زیر 2.2 کلوین ابرسیال است. تا کنون، این ویژگی ابرسیالی در هیچ برنامه صنعتی مورد استفاده قرار نگرفته است. اگر که به دمای کمتر از 17کلوین نیاز باشد، هلیوم به عنوان ابرخنک‌کننده در کاربردهای برودتی قابل جایگزینی نیست.

ناوبری هوایی

گاز هلیوم دومین عنصر سبک بعد از هیدروژن است و چگالی آن کمتر از هواست. بنابراین، هلیوم بعد از جنگ جهانی اول به عنوان گاز بالابر برای بالن، بالون‌های هواشناسی، کشتی‌های هوایی و بالن‌های هوایی استفاده شد. با وجود اینکه شناوری گاز هلیوم کمتر از هیدروژن است، باز هم هلیوم به عنوان گاز بالابرنده اولویت دارد، زیرا هلیوم قابل اشتعال نیست. استفاده از هلیوم به عنوان گاز بالابر نخستین کاربرد هلیوم بعد از کشف آن در زمین بود. گاز بالابر هلیوم را می‌توان با هیدروژن یا ترکیب هیدروژن و نیتروژن جایگزین کرد.

جوشکاری

گاز هلیوم به عنوان گاز محافظ در جوش قوس الکترونیکی و جوشکاری قوسی پلاسما استفاده می‌شود، زیرا بالاترین پتانسیل یونیزاسیون در بین اتم‌ها را دارد.  اتمسفر محافظتی گاز هلیوم در اطراف مکان جوشکاری مانع از اکسید شدن فلزات در حالت مذاب می‌شود. پتانسیل یونیزاسیون بالای هلیوم به جوشکاری قوسی پلاسما این امکان را می‌دهد که با فلزات عجیبی مانند تیتانیوم، زیرکونیوم، منیزیم و آلومینیوم آلیاژهای مورد استفاده در ساخت و ساز، کشتی سازی و هوا فضا کار کند. هلیوم به عنوان گاز محافظ می‌تواند با آرگون یا هیدروژن جایگزین شود، اگر چه برای جوشکاری قوسی پلاسمای مواد خاصی مانند تیتانیوم، هلیوم قابل جایگزینی نیست، زیرا هلیوم تنها گازی است که استفاده از آن در آن دمای فعالیت بالا به اندازه کافی امنیت دارد.

کاربردها در داخل اتمسفر

گاز هلیوم در عملیات پاکسازی فشار به کار می‌رود، در جایی که هیدروژن مایع یا دیگر گازها با هلیوم یا هیلیوم مایع یا دیگر گازهای مورد استفاده جایگزین می‌شوند.زیرا هلیوم تنها گاز با پایین‌ترین نقطه جوش از هیدروژن است و هلیوم بی‌اثر می‌باشد. نیتروژن برای سیستم‌های هیدروژن مایع به عنوان گاز پاکسازی استفاده نمی‌شود، زیرا در این شرایط نیتروژن به جامد تبدیل می‌شود. هلیوم به عنوان گاز پاکسازی در صنایع هوافضا برای سازمان‌هایی مانند آریان اسپیس یا ناسا مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، در راکت دلتا IV هلیوم برای حفظ فشار در تانک‌های سوخت اکسیژن مایع به کار رفت. وقتی اکسیژن مایع به صورت سوخت راکت می‌سوزد، هلیوم به داخل مخزن سوخت تزریق می‌شود تا مانع از فروپاشی آن شود. هلیوم به عنوان گاز پاکسازی می‌تواند با استفاده از نیتروژن جایگزین شود، فقط در سیستم‌های هیدروژن مایع قابل جایگزینی نیست.

تشخیص نشت

گازهلیوم برای تشخیص نشت استفاده می‌شود، زیرا کوچکترین اندازه ملکولی را دارد و مشابه با ملکول تک اتمی است. بنابراین هلیوم به راحتی از کوچکترین مکان‌های نشت عبور می‌کند. در طول مرحله تشخیص نشت، آن شی با استفاده از هلیوم پر می‌شود و در این مورد از طیف‌سنج جرمی هلیوم استفاده می‌شود که مکان نشت را شناسایی می‌کند. هلیوم برای شناسایی نشت در راکت‌ها، مخزن سوخت، تبادل گرما، خطوط گاز، ابزارهای الکترونیکی مختلف، لوله‌های تلویزیونی و دیگر مولفه‌های تولیدی استفاده می‌شود. هلیوم برای شناسایی نشت نخستین بار در پروژه مانهاتان استفاده شد تا نشت در کارخانه‌های غنی‌سازی اورانیوم را پیدا کند. هلیوم در شناسایی نشت می‌تواند با استفاده از هیدروژن یا نیتروژن یا ترکیب آن دو جایگزین شود.

 کروماتوگرافی گازی

گاز هلیوم به عنوان گاز حامل و گاز پاکسازی در کروماتوگرافی گازی به کار می‌رود، زیرا هلیوم از نظر شیمیایی بی‌اثر است ودرجه خلوص بالایی دارد. کروماتوگرافی مجموعه‌ای از اصطلاحاتی است که برای تکنیک‌های آزمایشگاهی برای جداسازی مخلوط استفاده می‌شود. کروماتوگرافی به طور گستره برای تحلیل کیفی و کمی در آزامایشگاه‌ها و فرآیندها به کار می‌رود. گاز هلیوم به عنوان حامل می‌تواند با نیتروژن یا هیدروژن جایگزین شود.

تولید مواد نیمه‌هادی

هلیوم به عنوان گاز محافظتی استفاده می‌شود و به خاطر بی‌اثر بودن شیمیایی بسیار ترجیح داده می‌شود، هلیوم به عنوان گاز خنک‌کننده استفاده می‌شود زیرا هدایت گرمایی و گرمای ویژه بسیار بالایی در تولید مواد نیمه هادی دارد. به عنوان مثال، هلیوم به عنوان آستر در میله‌های تولید صفحات نمایش LCD استفاده می‌شود. در مثالی دیگر، در طول فرآیند پردازش چیپ‌های  نیمه‌هادی، هلیوم برای مقابله با سرخ‌شدگی مخازن استفاده می‌شود. به علاوه، هلیوم در زمان رشد بلورهای سیلیکون و ژرمانیم، به عنوان گاز محافظ و خنک‌کننده استفاده می‌شود. هلیوم بسته به کاربردش می‌تواند با آرگون یا هیدروژن یا نیتروژن جایگزین شود.

تولید فیبر نوری

هلیوم به عنوان خنک‌کننده در طول فرآیند تولید کابل فیبر نوری استفاده می‌شود، زیرا هدایت حرارتی و گرمای ویژه بسیار بالایی دارد. دمای پایین و بی‌اثری هلیوم مایع آن را گزینه‌ای ایده‌آل برای سردسازی سریع رشته‌های سلیسی در لوله خنک‌کننده تبدیل کرده است، که به صورت فیبرهای شیشه‌ای از شمش شیشه‌ای تا مکان عمل کشیده شدند. هلیوم به عنوان محیط خنک‌کننده می‌تواند با استفاده از هیدروژن یا نیتروژن جایگزین شود.

رسانه انتقال گرما در راکتورهای هسته‌ای

هلیوم به عنوان رسانه انتقال گرما در نسل جدید راکتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود. هلیوم چند مزیت به عنوان رسانه انتقال گرما دارد. هلیوم گرمای ویژه و رسانایی گرمایی بسیار بالایی دارد، بنابراین، یکی از کارآمدترین گازهای انتقال‌دهنده گرماست. به علاوه،  هلیوم منجر به فرسایش نشده و از نظر رادیولوژیکی بی‌اثر است(ایزوتوپ‌های رادیواکتیو ندارد). حالت کلی هلیوم تغییر نمی‌کند و روی عامل ضریب نوترون تاثیری نمی‌گذارد. نیروگاه‌های هسته‌ای که از هلیوم به عنوان رسانه انتقال گرما استفاده می‌کنند، دارای کارآیی بالاتر و دمای عملیاتی بالاتری هستند. هلیوم به عنوان رسانای انتقال گرما می‌تواند با نیتروژن جایگزین شود.

مخلوط تنفس

هلیوم در غواصی در آب‌های عمیق در عمق بیش از 30متر استفاده می‌شود، زیرا حلالیت بسیار کمی در آب و خون دارد. مخلوط تنفس هلیوم/اکسیژن مانند هیلیر، تریمیکس و هلیوکس به جای ترکیب‌های تنفسی اکسیژن/نیتروژن استفاده می‌شوند، تا مانع از خواب نیتروژنی یا ایجاد نیتروژن در خون بشوند. به علاوه، هلیوم منجر به فرسایش تجهیزات نشده و غیرسمی است. هیدروژن به عنوان جایگزینی برای هلیوم در گاز غواصی در عمق آب مورد بررسی قرار گرفته است.

اسپری‌ پوشش‌های فلزی

هلیوم به عنوان گاز حامل پودر برای اسپری حرارتی و اسپری سرد استفاده می‌شود، این امر به خاطر سرعت بالای صوت و بی‌اثری فیزیکی آن است. اسپری حرارتی و اسپری سرد، معمولاً به صورت اسپری پوشش فلزی شناخته می‌شوند که فرآیند پوشش‌دهی سطحی در جایی است که دسته وسیعی از فلزات و سرامیک‌ها می‌توانند با سرعت بالا بر سطح ماده‌ی دیگری اسپری شوند تا پوشش فلزی را روی آن ایجاد کنند. به علاوه سرعت بالای صوت هلیوم باعث می‌شود که صدای صوت شما بعد از استنشاق هلیوم کمی تن پیدا کند یا جیرجیر کند. هلیوم به عنوان گاز حامل پودر می‌تواند با استفاده از نیتروژن جایگزین شود.

لیزر و نورپردازی

هلیوم به عنوان گازی کاربردی در لیزرها و نورپردازی استفاده می‌شود.  گاز تشدیدکننده هلیوم در لیزرهای گازی مانند لیزرهای هلیوم-نئون، لیزرهای CO2 و لیزرهای بخار فلزاتی مانند لیزر بخار  فلزی هلیوم کادمیوم استفاده می‌شود. هلیوم در لیزر برای ایجاد هیجان استفاده می‌شود. لیزرهای مختلف با گاز کاربردی هلیوم برای کاربردهای مختلفی مانند تحقیقات علمی، تداخل، هولوگرافی، طیف سنجی، اسکن بارکد، هم‌ترازی، جراحی لیزری چشم، نمایش اپتیکال، چاپ، حروف‌چینی برنامه‌های کاربردی، جوش و برش استفاده می‌شوند. اغلب لیزرهای هلیوم-نئون اکنون با لیزرهای دیودی ارزان‌تر جایگزین شدند. به علاوه هلیوم به عنوان گاز کار در  چراغ‌های تخلیه گاز استفاده می‌شود. هلیوم رنگ سفید تا نارنجی را از خود ساطع می‌کند. لامپ‌های تخلیه گاز هلیوم توسط هنرمندان و برای اهداف نورپردازی خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند. گاز هلیوم به عنوان گاز کار یا تشدیدکننده در بعضی از انواع لیزرها قابل جایگزینی نیست.

تلسکوپ

گاز هلیوم در تلسکوپ‌های خورشیدی به کار می‌رود. هلیوم تاثیرات انحرافی حاصل از حرارت بین‌ لنزها را در بعضی از تلسکوپ‌ها کاهش می‌دهد، زیرا شاخص انکسار فوق العاده کم و هدایت حرارتی بالایی دارد. هلیوم با استفاده از تلسکوپ‌های دارای خلاء می‌تواند جایگزین شود.

 هارد درایوها

گازهلیوم در تعدادی از هارد درایوها استفاده می‌شود. هارد درایوها با هلیوم پر می‌شوند تا به مقدار زیادی دیسک‌ها و قابلیت ذخیره داده بالا دست یابند. هلیوم یک هفتم چگالی هوا را دارد، بنابراین قدرت مکانیکی در کشش هوا و برش هوا را کاهش می‌دهد. به علاوه، به دیسک‌های چرخان اجازه می‌دهد تا به یکدیگر نزدیک‌تر شوند. به علاوه، به خاطر وجود گاز هلیوم، دیسک‌های گردان انرژی کارآمد بیشتری دارند، زیرا به قدرت موتور کمتر و فرآیند سردسازی کمتری نیاز دارند.

 

منبع:www.dayangas.com