徐進章：氦-3（3He）極化靶的今生來世

文/本刊記者 馬愛平

徐進章：氦-3（3He）極化靶的今生來世

文/本刊記者 馬愛平

近日，合肥工業大學徐進章研究團隊成功研制出“氦-3極化靶”以后，很多人詢問氦-3極化靶是個什么東西？有什么用處？有的人在網上進行了搜索，找到了關于“極化靶”的概念，但是目前網絡上的極化靶概念與氦—3極化靶的概念有所區別。

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

氦-3是氦的同位素，核子數為3，其中2個質子，1個中子。分子量3.01603，標準體積6.032m3/kg，沸點-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，據此估算，總儲量在500公斤左右。

目前，在科學實驗所用氦-3氣體，基本上是冷戰時期核聚變試驗的副產品，由氚衰變（釋放一個高速運動的電子，亦稱β射線）而成。

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

一般情況下，原子核處于熱平衡狀態，核子分布在不同的能量狀態上，服從玻爾茲曼統計規律。在外磁場下，原子能級會發生塞曼劈裂和超精細劈裂。利用微波和光學抽運的方法，有選擇地激發某個躍遷，使某個量子態布居優先，進而達到極化。

徐進章說，氦-3極化是利用光學抽運技術完成的。目前有兩種方法，一是自旋交換光泵浦極化（SEOP），二是亞穩態自旋光泵浦極化（MEOP）。利用亞穩態自旋光泵浦可以很快實現3He原子核極化，且極化氣體的提取過程也比較簡易，缺點是難以取得高的極化率。

徐進章團隊采用的自旋交換光泵浦方法，實現了氦-3氣體的有效極化。首先由激光泵浦輸運堿金屬原子，極化其核外價電子；接著極化的堿金屬原子與3He原子間發生碰撞，實現自旋極化態轉移。

團隊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），實現角動量的交換，再由K與3He進行碰撞實現自旋角動量的交換傳遞，微觀世界受選擇定則的限制，經過一段時間的抽運，MJ=+1/2態上原子（實際上是自旋中子）數量會占絕對優勢，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，此時團隊認為氣體得到了極化。極化的品質用極化度表示，極化度越高，表明被極化的原子數越多。

實際上，合肥工業大學自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%，達到了世界先進水平。

徐進章說，氦-3極化靶在三個研究領域有重要用途。在高能物理研究領域。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過程同形狀的關系；研究宇稱守恒及涉及禁閉區的非微擾的QCD標準模型等等。現在國際上已形成了一個新的高能物理分支──高能自旋物理。

在凝聚態物理研究領域，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，拓展了材料研究的新領域。另外，由于極化氣體分子半徑小，氣體可進入微結構之中，故還可以利用MRI成像設備，檢測特殊器件表面的材料缺陷及缺陷態。

在醫學領域，磁共振成像（MRI）在醫學診斷方面已經得到了廣泛地應用（稱“綠色診斷”），是公認的多參數、無輻射，能反復、動態、連續地觀察組織生理、病理變化過程的成像技術。由于肺部是乏水器官，傳統的MRI無法對肺部、空腔部位進行成像。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、塵矽職業人群體檢、肺泡癌檢出以及肺移植的跟蹤監控。特別是氦-3氣體的極化與磁場強度無關，對于發展超低磁場（30-800Gs）的磁共振（L-MRI）設備具有重要的現實意義和巨大的市場前景。

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

冷戰時期的俄羅斯、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實驗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、同位素分離和運回地球的成本，氦-3的能源償還比估計可達250，而鈾235生產核燃料的償還比約20，地球上煤礦開采的償還比不到16。

徐進章說，相比之下，月球上氦-3開采是相當便宜的。人類每年發射2到3艘宇宙飛船，從月球上運回的氦-3即可供全人類作為替代能源使用1年，而它的運輸費用只相當于如今核能發電的幾十分之一。實際上，用于開展科學研究和醫學影像服務的氦-3極化靶，僅僅用到運量的萬分之幾就足夠了。可以斷定，氦-3大規模應用已經為期不遠。