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【前沿】《科学》：氦－3严重短缺威胁低温物理研究
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新技术尚无法直接替代氦-3 以色列魏茨曼科学研究所的物理学家Moty Heiblum说，已经很难获得氦-3来达到研究需要的超低温；美国的安全项目占有了大约85%的氦-3供应。（图片提供：《科学》） 量子物理的奇异效应一般是在极底温度条件下出现，而以氦－3为制冷原料的“稀释制冷机”能将小型电子设备的温度冷却到绝对零度的几千分之一，也就是1毫开氏度，氦－3对低温物理学有着重要意义；与此同时，氦－3还有极为重要的国防价值，以氦－3填充中子探测器被用于材料探测中。然而，据新出版的《科学》杂志报道，目前氦－3的供应严重短缺，低温物理学界的研究受到威胁。 氦是一种惰性最强的气态元素，也是唯一在绝对零度时保持液体状态的物质；氦－3则是氦的最轻的同位素。1951年，H.伦敦提出可以用超流氦－4稀释氦－3的方法制冷的理论；1965年，P.Das等人根据这一理论制成了氦－3/氦－4稀释制冷机，这种制冷机可以长时间地维持毫开氏度的温度，并成为获得毫开氏温度的重要手段和设备。 《科学》的文章指出，几年前，当氦－3的需求量急剧上升时，它的供应却出现了萎缩，特别是在2002年，美国国土安全部（DHS）和能源部（DOE）开始配置数千台以氦－3填充的中子探测器，以帮助预防钚和其他放射性材料走私进入美国。DOE的一项研究显示，从短期来看，氦－3的需求量可能会达到每年6.5万升，但年度供应量却徘徊在1万升到2万升之间。氦－3的缺乏威胁到几个研究领域，作为美国氦－3的主要供应者，DOE目前只为美国资助的研究人员提供这种气体。 氦－3也被用于填充大型中子散放装置，比如，在日本东海新建成的日本质子加速器研究园区，在未来6年的时间里，该项目每年需要氦－3的数量将超过10万升。日本质子加速器研究园区的Masatoshi Arai说，园区的研究人员需要1.6万升氦－3以完成探测器23个光束中的15个，“如果我们不能获得氦－3和探测器……我们就不可能在日本质子加速器研究园区的核装置中做足够好的实验，我们花了15亿美元来建造这一设施。” 低温物理学家表示，他们每年大约需要2500升到4500升的氦－3，主要是用于填充新的“稀释制冷机”。美国西北大学的物理学家威廉·海尔普林说：“如果我们失去了氦－3供应，那么我们就会被完全牵制。”他指出，量子计算机和纳米科学的研究通常都要求在极低温度下进行。 氦－3在医学成像中也有重要作用。当患者吸入这种气体后，研究人员就可通过核磁共振成像仪对其肺部成像。 《科学》的文章认为，氦－3的供应不太可能在短期内恢复到从前的水平。这种物质在自然界中很稀有，主要来源于核反应堆中产生的氚的放射性衰变。氚是氢的放射性同位素，纯氚是氢弹的成分，因此，在长达数十年的时间里，美国和苏联都保存有大量的氚，并出售从中而来的氦－3。但是，冷战结束以后，美国和俄罗斯减少了氚的储存量。在2009年之前，DOE每年供应6万升的氦－3；在2009财政年度，DOE只供应了3.5万升的氦－3。 DOE估计，俄罗斯每年也只提供几千升的氦－3；加拿大从民用反应堆中积累了氦，如果提纯，一次可提供8万升的氦－3，之后每年可提供几千升。 为了缓解供应压力，研究人员开始寻找氦－3的替代者，目前已有几种可替代的技术，但没有一个可直接替代氦－3。与此同时，白宫科学和技术政府办公室的助理主任史蒂文·费特说，由白宫组织的一个跨部门工作小组已经制定了指导氦－3分配的三项基本原则，控制美国氦－3供应的DOE有特权决定哪些地方的氦－3供应不可替代，并限制其应用于安全问题，在美国已受到有力资助的研究项目也有获得氦－3的优先权。 这种方法应该能保证科学研究的需求，但却对美国的海外研究人员关上了大门。费特表示：“非美国需求并没有绝对排斥在考虑之中。”然而，DOE通过位于新泽西州的一家名为Spectra Gases Inc的公司将氦－3引入了市场。在10月6日致需求者的一封电子邮件中，Spectra副总裁说，最近供应的氦－3必须经DOE批准，而且，它只为美国联邦政府某些特别机构资助的研究项目提供氦－3。 《科学》的文章认为，即使目前的困境能够得以缓解，氦－3的价格也不可能恢复到传统的每升100至200美元的水平。因此，某些类型的研究可能将变得更加昂贵。而且，在未来几十年的时间里，氦－3的保存量将被耗尽，问题到底会有多严重呢？美国国家科学院将在不久之后给出报告。（王丹红） |
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