如果液氦比液氮冷，为什么它不在科学实验中使用？

液氦在科学实验中被大量使用，正是因为它比液氮冷。

80年代，我在伊利诺伊大学的研究生院研究低温物理(超导材料研究)。在过渡温度高于液氮沸点的高温超导体被发现之前(1987年)，所有超导材料的研究都需要液氦，其沸点在1atmosphere略高于4k。即使在30多年后的今天，由于所需温度较低，用于核磁共振成像机和粒子加速器的超导螺线管(磁体)都需要液氦冷却。

我在费米实验室工作了21年。那里的Tevatron粒子加速器周长3.9英里，使用的是超导磁体。所以，在这3.9英里的距离里，确实有一条液氦河流过管道(非常特殊的管道，有多层，真空绝缘，液氮套管等等)。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机的周长是这个周长的4倍多一点，而且也使用了超导磁体(顺便说一句，是费米实验室设计和制造的)和液氦，所以一条更长的河流。

低温研究人员有时使用液态氢(在1个大气压下的沸点是33 K)，但由于氢气爆炸的危险(我记得在普渡大学发生了一起严重的事故，这让这一点更加牢固)，氦成为了用于极低温的唯一低温流体。

因为氦原子在室温下的平均速度超过了脱离地球引力井的逃逸速度，氦是一种递减的资源。它主要被发现在前苏联和美国(主要是德克萨斯州)的岩层中，那里也有天然气。氦-4原子核是一种阿尔法粒子，所以一些放射性原子(钍、铀等)以极低的速率释放氦。氦是核聚变反应堆的副产品。

因为氦很稀有，所以很贵。美国曾经储备氦(国家氦储备-维基百科)，因为它是科学研究和某些工业的宝贵材料，也是航空航天和军事应用的战略资源。遗憾的是，根据1996年的氦私有化法案——维基百科，美国政府开始出售储备中的氦。2013年，政府采取行动延长保护区的寿命。

在苏联和美国以外的国家，氦非常昂贵。所以低温研究人员小心地捕获了实验中所有沸腾的气态氦。我记得有人告诉我，瑞典在50年代初购买了相当于数百升或数千升的液氦，几十年后仍然拥有95%以上的液氦。在我们大学的研究实验室里，我们的液氦每升的成本是2美元如果我们捕获了沸腾的液氦，如果不能捕获液氦则是4美元每升;不用说，几乎所有的沸点都被捕获了。

通过降低液氦上的压力，沸点下降。因此，为了将实验温度降到4k以下，研究人员使用真空泵来降低压力，manostats来控制压力(以及温度)。在2.17 K时液态氦-4发生相变并成为超流体。由于超流体的特性，通过泵送超流体来进一步降低温度变得非常困难。要降到2k以下，就要使用液态氦-3(氦的一种同位素，由氚衰变产生)。在我们的实验室里，我们有一个珍贵的小瓶氦-3气体，上面有原子能委员会的标签和注册号，我们可以在低于3k的温度下通过与氦-4的热接触进行液化;泵入液态氦-3可以让我们做0.7 K的实验。显然，抽走的氦-3原子都被捕获了。冷,稀释冰箱,依赖于混合熵氦-3和氦-4到达温度使用数万微K(0.010 K)。尽可能的费米实验室我多年工作在一个实验(CDMS-低温暗物质搜索),用稀释的冰箱我们探测器冷却到0.090 K。

我们在学校有一句谚语。液氮(0.50美元/升)和牛奶的价格一样。液氦(4美元/升)的价格和干邑白兰地差不多，使用时间也差不多!