《科學(xué)》：氦－3嚴(yán)重短缺威脅低溫物理研究
以色列魏茨曼科學(xué)研究所的物理學(xué)家Moty Heiblum說(shuō)，已經(jīng)很難獲得氦-3來(lái)達(dá)到研究需要的超低溫;美國(guó)的安全項(xiàng)目占有了大約85%的氦-3供應(yīng)。
量子物理的奇異效應(yīng)一般是在極底溫度條件下出現(xiàn)，而以氦-3為制冷原料的“稀釋制冷機(jī)” 能將小型電子設(shè)備的溫度冷卻到零度的幾千分之一，也就是1毫開(kāi)氏度，氦-3對(duì)低溫物理學(xué)有著重要意義;與此同時(shí)，氦-3還有極為重要的國(guó)防價(jià)值，以氦-3填充中子探測(cè)器被用于材料探測(cè)中。然而，據(jù)新出版的《科學(xué)》雜志報(bào)道，目前氦-3的供應(yīng)嚴(yán)重短缺，低溫物理學(xué)界的研究受到威脅。
氦是一種惰性zui強(qiáng)的氣態(tài)元素，也是*在零度時(shí)保持液體狀態(tài)的物質(zhì);氦-3則是氦的zui輕的同位素。1951年，H.倫敦提出可以用超流氦-4稀釋氦-3的方法制冷的理論;1965年，P.Das等人根據(jù)這一理論制成了氦-3/氦-4稀釋制冷機(jī)，這種制冷機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間地維持毫開(kāi)氏度的溫度，并成為獲得毫開(kāi)氏溫度的重要手段和設(shè)備。
《科學(xué)》的文章指出，幾年前，當(dāng)氦-3的需求量急劇上升時(shí)，它的供應(yīng)卻出現(xiàn)了萎縮，特別是在2002年，美國(guó)國(guó)土安全部（DHS）和能源部（DOE）開(kāi)始配置數(shù)千臺(tái)以氦-3填充的中子探測(cè)器，以幫助預(yù)防钚和其他放射性材料走私進(jìn)入美國(guó)。 DOE的一項(xiàng)研究顯示，從短期來(lái)看，氦-3的需求量可能會(huì)達(dá)到每年6.5萬(wàn)升，但年度供應(yīng)量卻徘徊在1萬(wàn)升到2萬(wàn)升之間。氦-3的缺乏威脅到幾個(gè)研究領(lǐng)域，作為美國(guó)氦-3的主要供應(yīng)者，DOE目前只為美國(guó)資助的研究人員提供這種氣體。
氦-3也被用于填充大型中子散放裝置，比如，在日本東海新建成的日本質(zhì)子加速器研究園區(qū)，在未來(lái)6年的時(shí)間里，該項(xiàng)目每年需要氦-3的數(shù)量將超過(guò)10萬(wàn)升。日本質(zhì)子加速器研究園區(qū)的Masatoshi Arai說(shuō)，園區(qū)的研究人員需要1.6萬(wàn)升氦-3以完成探測(cè)器23個(gè)光束中的15個(gè)，“如果我們不能獲得氦-3和探測(cè)器……我們就不可能在日本質(zhì)子加速器研究園區(qū)的核裝置中做足夠好的實(shí)驗(yàn)，我們花了15億美元來(lái)建造這一設(shè)施。”
低溫物理學(xué)家表示，他們每年大約需要2500升到4500升的氦-3，主要是用于填充新的“稀釋制冷機(jī)”。美國(guó)西北大學(xué)的物理學(xué)家威廉·海爾普林說(shuō)：“如果我們失去了氦-3供應(yīng)，那么我們就會(huì)被*牽制。”他指出，量子計(jì)算機(jī)和納米科學(xué)的研究通常都要求在極低溫度下進(jìn)行。
氦-3在醫(yī)學(xué)成像中也有重要作用。當(dāng)患者吸入這種氣體后，研究人員就可通過(guò)核磁共振成像儀對(duì)其肺部成像。
《科學(xué)》的文章認(rèn)為，氦-3的供應(yīng)不太可能在短期內(nèi)恢復(fù)到從前的水平。這種物質(zhì)在自然界中很稀有，主要來(lái)源于核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的氚的放射性衰變。氚是氫的放射性同位素，因此，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的時(shí)間里，美國(guó)和蘇聯(lián)都保存有大量的氚，并出售從中而來(lái)的氦-3。但是，冷戰(zhàn)結(jié)束以后，美國(guó)和俄羅斯減少了氚的儲(chǔ)存量。在2009年之前，DOE每年供應(yīng)6萬(wàn)升的氦-3;在2009財(cái)政年度，DOE只供應(yīng)了3.5萬(wàn)升的氦-3。
DOE估計(jì)，俄羅斯每年也只提供幾千升的氦-3;加拿大從民用反應(yīng)堆中積累了氦，如果提純，一次可提供8萬(wàn)升的氦-3，之后每年可提供幾千升。
為了緩解供應(yīng)壓力，研究人員開(kāi)始尋找氦-3的替代者，目前已有幾種可替代的技術(shù)，但沒(méi)有一個(gè)可直接替代氦-3。與此同時(shí)，白宮科學(xué)和技術(shù)政府辦公室的助理主任史蒂文·費(fèi)特說(shuō)，由白宮組織的一個(gè)跨部門(mén)工作小組已經(jīng)制定了指導(dǎo)氦-3分配的三項(xiàng)基本原則，控制美國(guó)氦-3供應(yīng)的DOE有特權(quán)決定哪些地方的氦-3供應(yīng)不可替代，并限制其應(yīng)用于安全問(wèn)題，在美國(guó)已受到有力資助的研究項(xiàng)目也有獲得氦-3的優(yōu)先權(quán)。
這種方法應(yīng)該能保證科學(xué)研究的需求，但卻對(duì)美國(guó)的海外研究人員關(guān)上了大門(mén)。費(fèi)特表示：“ 非美國(guó)需求并沒(méi)有排斥在考慮之中。”然而，DOE通過(guò)位于新澤西州的一家名為Spectra Gases Inc的公司將氦-3引入了市場(chǎng)。在10月6日致需求者的一封電子郵件中，Spectra副總裁說(shuō)，zui近供應(yīng)的氦-3必須經(jīng)DOE批準(zhǔn)，而且，它只為美國(guó)聯(lián)邦政府某些特別機(jī)構(gòu)資助的研究項(xiàng)目提供氦-3。
《科學(xué)》的文章認(rèn)為，即使目前的困境能夠得以緩解，氦-3的價(jià)格也不可能恢復(fù)到傳統(tǒng)的每升100至200美元的水平。因此，某些類(lèi)型的研究可能將變得更加昂貴。而且，在未來(lái)幾十年的時(shí)間里，氦-3的保存量將被耗盡，問(wèn)題到底會(huì)有多嚴(yán)重呢?美國(guó)國(guó)家*將在不久之后給出報(bào)告。
《科學(xué)》：氦－3嚴(yán)重短缺威脅低溫物理研究
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