氦-3

氦3应用接上篇……

制造氢的同位素氚

目前可供获得的He-3基本上都是通过氚的衰变得到的，而氚通过锂的同位素Li-6 俘获中子反应产生。氚是一种极为重要的核武器原料：主要用于制

造氢弹和提高原子弹裂变装料的利用率，以提高裂变武器和热核武器的爆知当量，便之小型

化。由于氚具有放射性，不稳定，除了技术尚不成熟的海水提取法之外，直接从自然界中提取氦-3几乎不可能。目前核武器所需的氚都是人生产的，即利用中和He-3反应生产氚。

激光放大器工质

在电子光学中，稀有气体的混合物被广泛用作激光放大器中的!在物质，He-3 是其中重要的组分。有文献报道了一例泵浦(Reactor pumped las en) He-3- Ar- Xe激光实验， 它利用热中子和HE-3 的核反应功能来实现其功能

       N+  He-3  → p + H3 + 0.76Mev 

     （ n : 中子，  p ： 质子 ）

表面探针

在表面科学中，由于He-3原子具有高度的表面灵敏度和完全的情性，可以作为很好的

表面探针，而He-3自旋回声(spin echo) 技术则成为研究表面内和表面上缓慢运动的理想方法。

寻找宇宙暗物质

天体物理上发现的实物证据有力地支持着关于在银河系的光环中存在非重子暗物质的论断。在一些实验工作6) 的基础上， May et等提出利用超流He-3作为灵敏的工作介质用于搜寻超宇称暗物质(Supersymmetric DarkMatter) 的基本设想； 。之后， 他们报道了·个直接寻找暗物质的新型探测器计划——MACHe-3(Matrix of Cells of superfluid He-3) ”， MACHe-3由1000个基本超流He-3单元组成，每个单元是一个体积约为125mm'的铜制立方体，其中充注了B相的超流体He-3。之所以采用He-3，是因为：①考虑到背景抑制等因素..超流He-3可以获得极高的纯度，其中唯一的杂质是He-4，而它可以被忽略不计，这样一来，

流体介质中没有来自放射性物质的污染，这正是作为灵敏介质所必须具备的条件。(2)考虑到中性伴随子(Neutralino) 探测的优点是双重的。首先， 最大反冲能量只和中性伴随子的质量有轻微的依赖关系。从对撞机实验的最新结果”来看， 靶核(m=2.81GeV/e) 要比进来的中性伴随子(M， ≥32GeV/c2) 小得多。第二， He-3是1/2自旋的核子， He-3探测器主要对轴向作用敏感，这一点使得该仪器和其他仪器不同。

氦-3同位素质谱仪测定技术

He-3是用于考古、地质、水文等领域同位素质谱学研究的一个极有价值的样本。人们普遍认为，He-3是原始的，自地球形成以来就残留在地球内部；而He-4是放射成因产物.，在漫长的地质历史过程中，He-3和He-4不断通过断裂带的裂隙通道向地表扩散，但由于放

射性物质的作用，又不断地使得He-4在地壳中累积。因此，在不同的地质构造环境中，断层构造活动的强烈差异、介质的渗透系数不同以及封存条件的不一致，导致地质样品中He-3/

He-4、He-4/Ne”比值明显不同。通过设计一台用于地学研究的He-3/He-4比值质谱计，

便可测定一些地区不同地质环境、不同物质来源样品中的He-3/He-4比值，从而为地质分

析提供参考依据。

利用氦-3研究太阳的特征

太阳中的热核反应产生了大量的He-3粒子。通过分析太阳光谱中He-3成分的特征，可以间接研究太阳的行为。自Schaeffer和Zah ringer 1”于1962年首次发现太阳高能粒子中He-3丰度的大幅富集现象之后，人们从实验观测和发展理论模型两个方面对太阳He-3富

化行为进行了大量的研究，，这些结果对了解太阳的运行和发展规律提供了重要的参考线

索。例如，有文献]研究了太阳中心He-3反应扩散系统的非线性特性，发现太阳中心有

“汇”速度场可以导致He-3核反应扩散系统失去稳定性，He-3的粒子数密度在状态转变过

程中不守恒，密度总量增大了。换句话说，太阳中心He-3的密度通过反应扩散对流系统的

非线性动力学被增强，从而可抑制Be’和B太阳中微子的产生。

氦-3中子探测器

在过去20多年间，中子探测技术得到不断的细化，这一进展主要归功于对中子结构、动力学、合成物、凝聚态物质磁化作用以及与高强度中子源的开发和建设相结合等中子技术的研究。中子探测在核医学及临床诊断、核电站安全检测系统、环境检测系统、核爆及隐藏核材料探测、空间物理学、航天航空和工业应用等众多领域都有着极其重要的意义。

自2001年的恐怖袭击以来，国土安全部就开始在边境与全国各地都布设了中子正比计数器，以防对钚或其他武器材料的走私行为；并要求每年将20,000到25,000升³He用于这些计数器的消耗。美国还希望其他国家也将此种计数器布设在口岸处.

     完美能源氦-3的获取， 中国已经在行动

³He是氚衰变的产物，它是从核武器中收集而来的。在核武器中，氚被用来产生中子以提升钚的爆炸性。直到1988年，氚的制造一直是用于支持美国核武器计划，因为它是提升武器威力的一个关键组成部分。自冷战结束以来，美国已经减少其核武库，从而使得氚和He-3的量都减少。同时，He-3的需求却升高。

氦-3在地球上含量非常少，人们已经把目光投向了月球，2007年“嫦娥一号”的发射，再掀氦-3探测高潮。在对“嫦娥一号”探月卫星微波数据进行一年多的分析后，发现月壤的氦-3 (He-3)存量预计达100万吨，转化成核能后足够地球使用1万年。

       （图为典型的稀释制冷机低温探杆）

理想的聚变能资源

He-3的一个非常吸引人的应用是它可作为理想的聚变反应材料，以D-He-3为燃料

的聚变反应堆可以产生洁净和安全的聚变能。D-He-3聚变的主反应过程为

D+He-3--p(14.7MeV)      ---  AA

反应无放射性产物，产生的中子功率、激活放射性，衰变热以及材料辐射损伤都要比其他的聚变反应小得多。估算表明，中子功率古D-He-3聚变功率之比在5%左右”这就降低了

对堆体辐射屏蔽的要求，同时部件寿命和磁场利用率都可以提高。由式(AA)可见，反应过程伴随着巨大的能量释放。据估算，如果采用D-He-3核聚变发电， 1992年中国的用电总量只需8tHe-3就可满足要求， 而全世界的年用电需求也基本上相当为100T左右He-3的用量。月球表面的月壤中含有丰富的He-3，资源总量可达100万1-500万L这将为解决人类能源危机提供一条极具潜力的途径.

氦-3核磁共振

由于He-3量子上属于奇自旋， 具有核磁矩， 因此在磁场中能够发生核磁共振(NMR， Nuclear Magnetic Resonance) 。磁共振成像(MRI， Magnetic Resonance Imaging) 是一种现代医学临床诊断的新方法。激光增强极化的He-3是一种非常理想的磁共振成像样品，与常规的H(质子) 或者Xel 129磁共振成像相比， 以He-3为样品的磁共振成像具有以下优点：

(1)He-3具有更大的磁矩，比Xe129大2.7倍，因而在给定的极化率密度下其磁共振信

号更大；

(2)具有很高的相对灵敏度；

(3)气态He-3的纵向核自旋弛豫比气态Xe-129更长；

(4) 由激光抽运技术(Optic al Pumping Technology) 自旋交换方法产生He-3的极化率可

达50%或者更高；

(5) He-3不像Xel”那样具有天然的麻醉性。因此， 当He-3被输送到生物体组织中

(例如：人或者动物的肺部)，可以给出颇大的核磁共振信号强度、成像空间分辨和数据率。

尤其是在一些应用中，具有麻醉性的¹²⁹Xe是不可用的，比如对婴儿的肺部进行成像。

待续，氦-3 更多应用下期介绍……

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