氙气的多种应用

背景及概述^[1]

氙气的元素符号Xe，位于第五周期零族。其为稀有气体、无色、无嗅、无味，能吸收X射线，在电场作用下能发出强烈的白光。用于制高压长弧氙灯(俗称人造小太阳)，产生紫外线的高压电弧灯、闪光灯、中子计数器，X射线计数器，还用作麻醉剂、原子反应堆中的中子吸收剂、充填闸流管和探测宇宙线用的电离室。1898年英国人拉姆塞和特拉威斯在分馏液态氪的混合物时，通过光谱分析发现了氙。在空气中含有9×10-6%(体积)。工业上用分馏液体空气提取。

应用^[3-4]

氙能吸收X射线。因其有极高的发光强度，用于填充光电管和闪光灯，氙灯有“小太阳”之称。氙能溶解于神经细胞物质之中，使其麻醉和膨胀，从而暂时停止神经末梢的作用，故掺入20%的氧作为麻醉剂。氙高压灯具有高的紫外光辐射，故可用于医疗。

1）氙气在电光源上的重要应用

利用氙气极高的发光强度，可充填光电管、闪光灯以及有雾航空导航灯，其放电强度甚至超过太阳光的放电强度；氙气充填的长弧氙灯，俗称“小太阳”，穿雾能力特强，可用于机场、车站、码头和广场；氙灯还用于彩色电影的拍摄，具有良好效果。近年来，随着科技的发展，氙气在电子、激光行业得到了广泛应用，如等离子电视、CT机等，每年这个行业消费氙气约2000m3。

2）氙气在焊接、医疗等方面的应用

用氙灯光线经凹镜聚光后，温度可达到2500℃，不仅可容易地焊接钢材，还可焊接钛、钼这类难熔金属。据悉，还可用于单晶体生产方面。高压氙灯具有高强度的紫外光辐射，可用于医疗杀菌、消毒。由于氙的分子量大，有很强的麻醉作用，氙是无副作用、理想的深度麻醉剂。利用氙气具有不透过X射线的性质，可被用作X光摄影的造影剂，也被用于遮蔽X射线；氙的放射性同位素，可作为显踪剂来进行医疗诊断。医疗领域为氙气应用提供了新的长期有潜力的增长。氙气用于加强X-射线、CAT扫描、MRI的成像。

单靠一台MRI设备不能检查人体肺部的许多精细结构，然而，吸入氙/氧混合气，MRI扫描就能检测到必要的软组织精细结构，以帮助医生对许多肺部疾病做出更准确的诊断。英国伦敦皇家学院的科学家们发现氙气可帮助保护受损的神经细胞，为此他们与美国空气制品公司一起建立了一家名叫Proexeon公司以开发其临床应用。研究表明惰性气体氙可用作神经保护剂，防止受损神经细胞死亡。可治疗神经受损病人如中风、麻痹、脑伤和脊髓受伤等。

3）氙气在电子芯片制造业中的最新应用

氙气的最新用途是用在电子芯片制造业，也是目前氙需求增长及对氙投机买卖的最重要原因，几家大型芯片制造商正使用氙气等离子蚀刻，主要用于微电子机械系统(MEMS)的制造。MEMS设备可将微电子和微机械集成为一个整体，能在一块芯片上制作更复杂及功效更强的电路。这种技术从根本上把电脑芯片(处理数据)和传感器(收集数据)结合到一个元件上，可以批量生产，这种芯片的潜在用途不可限量，

4）氙气在空间/卫星产业中的应用

用于卫星发射的离子发动机和离子浆推进器使用燃料氙气，由于氙气重量和密度很重，重量约是空气的4.5倍重，主要用作卫星的轨道位置保持和机动控制。在离子发动机磁腔的尾部，有一对分别带正电荷和负电荷的金属网，正电荷和氙离子产生的强大电磁推力把氙离子高速(约100000km/h)喷射出去，并因此产生反冲力推动飞行器向前运动。它的推力比化学燃料发动机要小得多，全速运行时，离子发动机每消耗2500W电能只能产生1/110kgf(注：1kgf=9.81N)的推力，但是它可以长时间运转几个月甚至几年，结果，飞行器最终获得的速度可达化学燃料发动机所能达到的10倍。氙气的非冷凝性质，使离子火箭发动机几乎可以立即起动或关机，简化配电系统和绝缘器设计。氙作为推进剂有以下优点：无污染，不与航天器表面材料产生化学反应。无毒，不会污染空间环境和地球生物圈。确保地面试验人员的健康和实验室内外环境的净化。

制备^[2]

氪气、氙气提取工艺复杂，技术难度大，生产操作程序要求极为严格。要经受高压、低温考验，并要使用特殊设备与材料，而且安全、防爆和防漏也至关重要。氪气、氙气制备一般分为两个阶段：阶段俗称粗制系统，大型、特大型空分设备低温精馏提取贫氪—氙混合物，在空分设备冷箱内完成，大气要经过压缩、冷却、吸附、膨胀制冷、精馏、净化和换热等多道工序；第二阶段俗称精制系统，将贫氪—氙混合物精制到高纯产品，要经过加压、催化、吸附、换热、精馏和净化等多道工序。武钢氧气公司2005年投产的60000m3/h空分设备是稀有气体全提取空分设备，由德国林德公司引进，其氪气、氙气制备工艺流程具有一定代表性，如图所示。

主要参考资料

[1] 中学教师实用化学辞典

[2] 氪气和氙气的制备与应用

[3] 实用精细化工辞典

[4] 氪气、氙气和氖气市场