徐进章：氦-3（3He）极化靶的今生来世

文/本刊记者 马爱平

徐进章：氦-3（3He）极化靶的今生来世

文/本刊记者 马爱平

近日，合肥工业大学徐进章研究团队成功研制出“氦-3极化靶”以后，很多人询问氦-3极化靶是个什么东西？有什么用处？有的人在网上进行了搜索，找到了关于“极化靶”的概念，但是目前网络上的极化靶概念与氦—3极化靶的概念有所区别。

徐进章告诉记者，氦-3极化靶就是一个盛满了被极化的氦-3气体装置，核心问题是气体极化。

氦-3是氦的同位素，核子数为3，其中2个质子，1个中子。分子量3.01603，标准体积6.032m3/kg，沸点-452℉(-270℃)。地球上天然的氦-3存量很少，大气中含量约为1.38×10-6，据此估算，总储量在500公斤左右。

目前，在科学实验所用氦-3气体，基本上是冷战时期核聚变试验的副产品，由氚衰变（释放一个高速运动的电子，亦称β射线）而成。

徐进章说，氦-3极化靶是目前最纯净的“中子靶”，由于氦-3核子中2个质子的自旋反平行，其角动量互相抵消，宏观上自旋角动量为零（近似），另一中子便成为唯一角动量的携带者，所以说氦-3的自旋角动量实际上就是中子所携带的自旋角动量。

一般情况下，原子核处于热平衡状态，核子分布在不同的能量状态上，服从玻尔兹曼统计规律。在外磁场下，原子能级会发生塞曼劈裂和超精细劈裂。利用微波和光学抽运的方法，有选择地激发某个跃迁，使某个量子态布居优先，进而达到极化。

徐进章说，氦-3极化是利用光学抽运技术完成的。目前有两种方法，一是自旋交换光泵浦极化（SEOP），二是亚稳态自旋光泵浦极化（MEOP）。利用亚稳态自旋光泵浦可以很快实现3He原子核极化，且极化气体的提取过程也比较简易，缺点是难以取得高的极化率。

徐进章团队采用的自旋交换光泵浦方法，实现了氦-3气体的有效极化。首先由激光泵浦输运碱金属原子，极化其核外价电子；接着极化的碱金属原子与3He原子间发生碰撞，实现自旋极化态转移。

团队通过选定特定的圆偏振的光束(σ+)，照射混有一定比例的Ru、K的3He气体，首先由碱金属Ru与K之间的碰撞（核外电子极化），实现角动量的交换，再由K与3He进行碰撞实现自旋角动量的交换传递，微观世界受选择定则的限制，经过一段时间的抽运，MJ=+1/2态上原子（实际上是自旋中子）数量会占绝对优势，通俗地说，自旋磁矩“矢量和”在某一方向上得到了极大的加强，此时团队认为气体得到了极化。极化的品质用极化度表示，极化度越高，表明被极化的原子数越多。

实际上，合肥工业大学自2012年开始氦-3极化靶的研究工作，目前取得了极化率超过70%，达到了世界先进水平。

徐进章说，氦-3极化靶在三个研究领域有重要用途。在高能物理研究领域。极化靶可用于核子-核子、核子-核相互作用研究；通过测量极化中子对极化靶的透射率可以明确地测定共振能级的自旋；研究某些（镧系、锕系）核形状以及各种核反应过程同形状的关系；研究宇称守恒及涉及禁闭区的非微扰的QCD标准模型等等。现在国际上已形成了一个新的高能物理分支──高能自旋物理。

在凝聚态物理研究领域，极化靶引出的极化气体作用于特殊材料的表面上，研究和探索材料的新物理性质，拓展了材料研究的新领域。另外，由于极化气体分子半径小，气体可进入微结构之中，故还可以利用MRI成像设备，检测特殊器件表面的材料缺陷及缺陷态。

在医学领域，磁共振成像（MRI）在医学诊断方面已经得到了广泛地应用（称“绿色诊断”），是公认的多参数、无辐射，能反复、动态、连续地观察组织生理、病理变化过程的成像技术。由于肺部是乏水器官，传统的MRI无法对肺部、空腔部位进行成像。由于氦-3无毒无害，通过吸入氦-3极化气体，便可方便地实施肺部的磁共振成像。可用于慢性阻塞型肺、囊性肺纤维化、哮喘、肺气肿等肺病患者的诊断、尘矽职业人群体检、肺泡癌检出以及肺移植的跟踪监控。特别是氦-3气体的极化与磁场强度无关，对于发展超低磁场（30-800Gs）的磁共振（L-MRI）设备具有重要的现实意义和巨大的市场前景。

徐进章说，尽管氦-3极化气体有非常重要的应用，但由于氦-3的自然储量很少，很大程度上限制了极化靶的应用。

冷战时期的俄罗斯、美国都有一定的存量，主要存量在俄罗斯，我国存量极少。目前世界范围的科学实验需求基本上可以得到满足。

值得欣慰的是，月球上存量极大，能够满足人类几万年的用量。氦-3是集中在颗粒小于50微米的富含钛铁矿的月壤中，考虑到月壤的开采、排气、同位素分离和运回地球的成本，氦-3的能源偿还比估计可达250，而铀235生产核燃料的偿还比约20，地球上煤矿开采的偿还比不到16。

徐进章说，相比之下，月球上氦-3开采是相当便宜的。人类每年发射2到3艘宇宙飞船，从月球上运回的氦-3即可供全人类作为替代能源使用1年，而它的运输费用只相当于如今核能发电的几十分之一。实际上，用于开展科学研究和医学影像服务的氦-3极化靶，仅仅用到运量的万分之几就足够了。可以断定，氦-3大规模应用已经为期不远。