徐進(jìn)章：氦-3（3He）極化靶的今生來世

文/本刊記者 馬愛平

徐進(jìn)章：氦-3（3He）極化靶的今生來世

文/本刊記者 馬愛平

近日，合肥工業(yè)大學(xué)徐進(jìn)章研究團(tuán)隊(duì)成功研制出“氦-3極化靶”以后，很多人詢問氦-3極化靶是個(gè)什么東西？有什么用處？有的人在網(wǎng)上進(jìn)行了搜索，找到了關(guān)于“極化靶”的概念，但是目前網(wǎng)絡(luò)上的極化靶概念與氦—3極化靶的概念有所區(qū)別。

徐進(jìn)章告訴記者，氦-3極化靶就是一個(gè)盛滿了被極化的氦-3氣體裝置，核心問題是氣體極化。

氦-3是氦的同位素，核子數(shù)為3，其中2個(gè)質(zhì)子，1個(gè)中子。分子量3.01603，標(biāo)準(zhǔn)體積6.032m3/kg，沸點(diǎn)-452℉(-270℃)。地球上天然的氦-3存量很少，大氣中含量約為1.38×10-6，據(jù)此估算，總儲(chǔ)量在500公斤左右。

目前，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)所用氦-3氣體，基本上是冷戰(zhàn)時(shí)期核聚變?cè)囼?yàn)的副產(chǎn)品，由氚衰變（釋放一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的電子，亦稱β射線）而成。

徐進(jìn)章說，氦-3極化靶是目前最純凈的“中子靶”，由于氦-3核子中2個(gè)質(zhì)子的自旋反平行，其角動(dòng)量互相抵消，宏觀上自旋角動(dòng)量為零（近似），另一中子便成為唯一角動(dòng)量的攜帶者，所以說氦-3的自旋角動(dòng)量實(shí)際上就是中子所攜帶的自旋角動(dòng)量。

一般情況下，原子核處于熱平衡狀態(tài)，核子分布在不同的能量狀態(tài)上，服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律。在外磁場(chǎng)下，原子能級(jí)會(huì)發(fā)生塞曼劈裂和超精細(xì)劈裂。利用微波和光學(xué)抽運(yùn)的方法，有選擇地激發(fā)某個(gè)躍遷，使某個(gè)量子態(tài)布居優(yōu)先，進(jìn)而達(dá)到極化。

徐進(jìn)章說，氦-3極化是利用光學(xué)抽運(yùn)技術(shù)完成的。目前有兩種方法，一是自旋交換光泵浦極化（SEOP），二是亞穩(wěn)態(tài)自旋光泵浦極化（MEOP）。利用亞穩(wěn)態(tài)自旋光泵浦可以很快實(shí)現(xiàn)3He原子核極化，且極化氣體的提取過程也比較簡(jiǎn)易，缺點(diǎn)是難以取得高的極化率。

徐進(jìn)章團(tuán)隊(duì)采用的自旋交換光泵浦方法，實(shí)現(xiàn)了氦-3氣體的有效極化。首先由激光泵浦輸運(yùn)堿金屬原子，極化其核外價(jià)電子；接著極化的堿金屬原子與3He原子間發(fā)生碰撞，實(shí)現(xiàn)自旋極化態(tài)轉(zhuǎn)移。

團(tuán)隊(duì)通過選定特定的圓偏振的光束(σ+)，照射混有一定比例的Ru、K的3He氣體，首先由堿金屬Ru與K之間的碰撞（核外電子極化），實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量的交換，再由K與3He進(jìn)行碰撞實(shí)現(xiàn)自旋角動(dòng)量的交換傳遞，微觀世界受選擇定則的限制，經(jīng)過一段時(shí)間的抽運(yùn)，MJ=+1/2態(tài)上原子（實(shí)際上是自旋中子）數(shù)量會(huì)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，通俗地說，自旋磁矩“矢量和”在某一方向上得到了極大的加強(qiáng)，此時(shí)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為氣體得到了極化。極化的品質(zhì)用極化度表示，極化度越高，表明被極化的原子數(shù)越多。

實(shí)際上，合肥工業(yè)大學(xué)自2012年開始氦-3極化靶的研究工作，目前取得了極化率超過70%，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

徐進(jìn)章說，氦-3極化靶在三個(gè)研究領(lǐng)域有重要用途。在高能物理研究領(lǐng)域。極化靶可用于核子-核子、核子-核相互作用研究；通過測(cè)量極化中子對(duì)極化靶的透射率可以明確地測(cè)定共振能級(jí)的自旋；研究某些（鑭系、錒系）核形狀以及各種核反應(yīng)過程同形狀的關(guān)系；研究宇稱守恒及涉及禁閉區(qū)的非微擾的QCD標(biāo)準(zhǔn)模型等等。現(xiàn)在國(guó)際上已形成了一個(gè)新的高能物理分支──高能自旋物理。

在凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域，極化靶引出的極化氣體作用于特殊材料的表面上，研究和探索材料的新物理性質(zhì)，拓展了材料研究的新領(lǐng)域。另外，由于極化氣體分子半徑小，氣體可進(jìn)入微結(jié)構(gòu)之中，故還可以利用MRI成像設(shè)備，檢測(cè)特殊器件表面的材料缺陷及缺陷態(tài)。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，磁共振成像（MRI）在醫(yī)學(xué)診斷方面已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用（稱“綠色診斷”），是公認(rèn)的多參數(shù)、無輻射，能反復(fù)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)地觀察組織生理、病理變化過程的成像技術(shù)。由于肺部是乏水器官，傳統(tǒng)的MRI無法對(duì)肺部、空腔部位進(jìn)行成像。由于氦-3無毒無害，通過吸入氦-3極化氣體，便可方便地實(shí)施肺部的磁共振成像。可用于慢性阻塞型肺、囊性肺纖維化、哮喘、肺氣腫等肺病患者的診斷、塵矽職業(yè)人群體檢、肺泡癌檢出以及肺移植的跟蹤監(jiān)控。特別是氦-3氣體的極化與磁場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)，對(duì)于發(fā)展超低磁場(chǎng)（30-800Gs）的磁共振（L-MRI）設(shè)備具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的市場(chǎng)前景。

徐進(jìn)章說，盡管氦-3極化氣體有非常重要的應(yīng)用，但由于氦-3的自然儲(chǔ)量很少，很大程度上限制了極化靶的應(yīng)用。

冷戰(zhàn)時(shí)期的俄羅斯、美國(guó)都有一定的存量，主要存量在俄羅斯，我國(guó)存量極少。目前世界范圍的科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求基本上可以得到滿足。

值得欣慰的是，月球上存量極大，能夠滿足人類幾萬年的用量。氦-3是集中在顆粒小于50微米的富含鈦鐵礦的月壤中，考慮到月壤的開采、排氣、同位素分離和運(yùn)回地球的成本，氦-3的能源償還比估計(jì)可達(dá)250，而鈾235生產(chǎn)核燃料的償還比約20，地球上煤礦開采的償還比不到16。

徐進(jìn)章說，相比之下，月球上氦-3開采是相當(dāng)便宜的。人類每年發(fā)射2到3艘宇宙飛船，從月球上運(yùn)回的氦-3即可供全人類作為替代能源使用1年，而它的運(yùn)輸費(fèi)用只相當(dāng)于如今核能發(fā)電的幾十分之一。實(shí)際上，用于開展科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)影像服務(wù)的氦-3極化靶，僅僅用到運(yùn)量的萬分之幾就足夠了。可以斷定，氦-3大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)為期不遠(yuǎn)。