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)期核聚變試驗(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。在外磁場下，原子能級會(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)占絕對優(yōu)勢，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；通過測量極化中子對極化靶的透射率可以明確地測定共振能級的自旋；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?，F(xiàn)在國際上已形成了一個(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?？捎糜诼宰枞头?、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氣體的極化與磁場強(qiáng)度無關(guān)，對于發(fā)展超低磁場（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、美國都有一定的存量，主要存量在俄羅斯，我國存量極少。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?？梢詳喽?，氦-3大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)為期不遠(yuǎn)。