氢气液化方法的发明
氢气是卡文迪许在1766年发现的一种可燃气体。拉瓦锡根据这种气体与氧气结合可以形成水的特征，命名为“制造水的元素”。氢气是最难液化的气体之一，曾经被称为永久气体。空间技术的发展使得液氢技术从实验室研究走向工业化。液氢也是研究基础物理学的一种常用的低温液体。
第一次实现氢气液化的科学家是低温技术先驱詹姆斯·杜瓦（James Dewar）。从水到炸药，从原子量到光谱学，从肥皂泡性质到太阳的温度，杜瓦的研究对象涉猎极为广泛。
詹姆斯·杜瓦
（图片来源：The Bridgeman Art library）
杜瓦最广为人知的成就是他发明的一种真空保温瓶，即杜瓦瓶。杜瓦瓶此后被商业化而广泛应用于低温化工、航空航天等领域，但杜瓦本人并未为这一发明申请专利，否则他无疑会成为一个更富有的人。
根据杜瓦瓶改进成的热水瓶真空胆
（图片来源：US872795）
受实验室前辈法拉第液化气体研究的影响，杜瓦非常热衷于气体液化技术的研究，尽管他知道这是一个危险的工作。他的一名助手在压力计爆炸中差一点丧生，失去了一只眼睛。他在说服一位访客资助时，也遭遇了液氧中乙烯引起的爆炸事故。
1895年，慕尼黑技术大学的林德教授成功实现液态空气的连续生产，为科学探索提供了约-200℃的宽阔新温区，解决了当时钢铁和化学工业对大规模廉价氧的需求，对工业和经济的发展产生了深远的影响。
空气液化技术成为了杜瓦实现氢气液化的基础。就在同一年，杜瓦意识到焦耳-汤姆逊效应是氢液化的发展方向。氢液化的困难在于需要低于其转化温度下节流才制冷。他一开始使用凯泰液氧式膨胀技术，只能获得一种含有液态氢的喷雾。
1898年2月25日，杜瓦第一次尝试氢液化，但是由于阀门处被焊料固体颗粒堵塞而失败。几经波折后，5月10日，氢气开始在175个大气压下以7升/秒的速度通过阀门。不久，喷嘴被杂质冻结堵塞，但幸运的是，它被冲开了，几乎马上就有液滴产生。杜瓦记录道：“一种清澈透明的液体，具有轮廓分明的弯月面，没有吸收光谱，其蒸发似乎非常缓慢。”
杜瓦最终得到了大约20毫升的液氢，这标志着人类第一次实现了氢气的液化。
杜瓦实验室笔记本中第一个氢液化器装置下部的草图
（图片来源：Rowlinson《杜瓦传记》）
液化氢装置的插图
（图片来源：《大英百科全书》）
在伦敦皇家研究院，有一个延续至今的科普讲座活动——“周五晚间演讲”。皇家研究院悬挂着一幅著名的油画，生动地记录下1904年杜瓦关于氢气液化的讲座。观众有诸多来自科学界、工业界和政界的著名人士，包括开尔文勋爵、瑞利勋爵、光谱学先驱哈金斯和时任首相阿瑟·鲍尔弗。阿姆斯特朗（H. E. Armstrong）记录了这次演示，“当用液态氢冷却充满空气的气压计时，管中的水银柱高度降低，它差一点把顶盖撞掉了”。
描绘杜瓦在皇家研究院讲授液态氢场景的油画
（图片来源：Linda Hall Library）
我国氢液化技术的艰难开端
相对于杜瓦液化氢气过程翔实的史料记录，我国第一滴液氢的产生过程没有找到太多详细的图像资料。当时的液氢技术在前沿基础科学等领域已经表现出重要的支撑作用。周远老师在几十年后在与研究生入学的座谈中也提到过在东皇城根生产液氢和液氦的历史。珍贵的历史档案中还看到当年手书如同印刷体的试验记录表。在探索氢液化的科学历程中，我国低温事业开拓者洪朝生先生的治学态度和科学家精神是值得科技工作者们深刻学习的。
1956年11月15日《光明日报》头版报道“液体氢——我国制造成功”
1956年11月2日，我国的第一滴液氢诞生在东皇城根大取灯胡同9号的物理楼。由于具有格外重要的意义，11月15日的《光明日报》在头版对这一事件进行了报道。全文摘录如下：
“液体氢——我国制造成功”
新华社14日讯 一种极冷极轻的科学用品——液体氢，已经由中国科学院应用物理研究所制成了。它将会帮助科学家们发现许多物质的新规律。
液体氢是用电解水得到的氢气，经过高压，然后膨胀降温所形成的。它没有什么特殊的颜色，从外表上看和普通的水差不多，但它比水要冷得多，它的温度在零下二百五十三度，人的手一触到它就像被烈火烫了似的发痛。它的重量只有同样体积水的十四分之一，没有一种液体再比它轻的了。把它装满一只热水瓶，拿起这个热水瓶就像拿着一只空热水瓶一样。
液体氢的这种特性可以帮助科学家们探寻许多物质在普通情况下所不能发现的新规律。因为液体氢很冷，许多物质浸到里面后，就发生很大变化，科学家根据这些变化得出物质的新规律后，就可以让这些物质更多的为人类服务。
最近应用物理研究所的科学工作人员就要使用液体氢观察分析半导体等物质的电学、光学特性。这个研究所制造液体氢所用的设备，都是所内科学工作人员参考国外设计自己制造的。
我国的液氢项目起源于1951年5月，中国科学院批准在应用物理所组建低温物理实验室，并拨款10亿元（大约相当于现在的4000万元）用于实验室组建。当时正值我国科学仪器采购团到东德，钱临照先生召洪朝生到东柏林洽商。他们在那里用了一周时间，向东德厂家订购了小型液化空气机（因为东德当时也没有氢液化器）、氢与氦压缩机等机械设备和有关仪表，还从莱顿大学的卡末林·昂内斯实验室获得了德银管等低温实验材料及部分小型设备。
钱临照先生在东德负责采购团工作照片（左二为钱临照）（图片来源：侯建国，钟万勰《钱临照、钱令希纪念文集》）
洪先生在普渡大学和莱顿大学积累了丰富的低温技术经验。液氢项目在1953年收到空气液化器后进展顺利，在1954年5月实现了10升/小时的液化空气的正常生产。除作为氢液化气的预冷外，生产的液化空气还提供本所及少数外单位使用，并开展一些低温物理研究。
氢液化器研制工作较为复杂，主要包括制氢装置和纯化设备的设计和制造。白伟民、朱元贞等进行了传热和流阻的计算，设计了换热器，此类特殊部件是在实验室内自行研制，其余部分零部件由物理所附属工厂加工。1954年春，低温物理组迁入新建的实验室，先后安装了空压机、氢压机、真空设泵、制氢、纯化和控制装备，第四季度开始氢液化器试车。
在项目进行过程中，氢液化器的研制在细节上出现了一些问题，为此项目增加了储氢柜和高压阀门等新的配置试验，以应对高真空要求进度较慢、液化器的外筒设计与实际需求不匹配等问题。
洪朝生带领其他科研人员对反复研究、分析，最终于1956年11月2日成功获得液氢。氢液化器产率最初为每小时10升，后来经过对换热器的改进，产率提高到每小时14升。这台氢液化器型号被称为5914。当时世界上只有少数掌握氢液化技术的实验室，在老一辈科学家的不懈努力下，新中国又在一项工程技术上走在了世界前列。
三级压缩到15MPa的活塞式氢气压缩机
（图片来源：丁锡洪摄于1957年）
每小时产量10升的氢气液化器 左一为洪朝生
（图片来源：丁锡洪摄于1957年）
5914型氢液化器的流程计
（图片来源：中国科学院理化技术研究所）
1956年，洪朝生任物理所低温研究组组长和半导体研究室材料组组长，后将主要精力用于开展低温物理研究。不久，100L/h氢液化设备研制于1960年启动，由洪朝生教授审议确定了流程方案，于1963年12月在杭州制氧机厂制造完成。1966年初设备安装在北京101测试站，并于1969年正式投入液氢生产，直到1980年代末退役，基本满足了我国第一代氢氧发动机试验需要。
洪朝生先生与“两弹一星”工作
1956年至1967年，时任中国科学院党组书记、副院长的张劲夫同志组织院里科学家和科技人员参与“两弹一星”的研制工作，为新中国的历史性成就做出了重要贡献。在世纪之交的1999年，张劲夫撰写了文章《请历史记住他们——关于中国科学院与“两弹一星”的回忆》，回忆了那一段波澜壮阔的科学史，描绘了中国科学家的英雄群像。
《请历史记住他们》封面
洪朝生是给张劲夫留下深刻印象的科学家之一，在他的回忆文章中，可以看出“两弹一星”各项任务都有洪先生的影子。
“钱学森提出，搞导弹主要看你火箭用什么燃料，火箭的燃料很重要。钱学森说一定要搞新的高能燃料。科学院要把科研重点放在开发自己的高能燃料上，这样火箭才能做得大，射得远……
“实验基地的主要实验方向是先试验液氧，要把氧气变成液体，它需要低温。科学院在中关村建立了一座气体站，可以集中相当数量的氧气、氢气。既供应民用，也供应科研使用。科学院物理所洪朝生负责的低温实验室，专门研究低温，把温度降低，氧气就变成液体燃料了。首先用液氧，需把温度降到零下180摄氏度左右。但推力大的是液氢，可制成液氢的难度就大了。需要把温度降到零下250多摄氏度左右，氢气才能液化。而且，氢气还容易爆炸……
“新的高能燃料研制成功之后，五院先用这个燃料设计发动机。力学所二部由林鸿荪主持，在山区基地建成了两个不同量级的液氧、液氢火箭发动机试车台。做了100多次发动机台架试验，取得了成功。以后，按国防科委要求，全部试验资料和数据转交给七机部。这一重大成果对他们研制远程火箭起了很大作用。”
1964年11月24日，我国第一次正式以液氢和液氧为推进剂，进行火箭发动机地面试验。试车一次点火即试验成功，试车时间超过20秒，这是高能火箭发动机研制过程中的一次重大技术突破，也是液态氢从实验室少量使用到大量工业化应用过程的一次突破。
1964年低温液体和氢气生产供应获得院优秀奖
1957年的物理楼，照片中为王启明院士
中年时期的洪朝生先生
洪朝生先生致力于学术研究，淡泊名利，从不谈论过去辉煌的科研成果和历史贡献。洪先生和那个时代的许多科学家一样，放弃顶尖的荣誉和优厚的待遇回国参加建设。如今，我们只能从不同部门分散的史志等材料中大致领略到洪朝生先生的事迹和他开创的低温事业的壮丽画卷。
我国第一滴液氢的故事，正是自力更生、努力实现高水平科技自立自强的真实写照。如今，我们在老一辈科学家开创的田园里继续耕耘，拥有着更精密的仪器设备等条件，如有懈怠，何以面对老一辈科学家们的足迹？
作者：胡忠军
作者单位：中国科学院理化技术研究所
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