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中子物理学重点实验室极化3He项目取得阶段性进展

作者: 来源: 访问: 时间:2019-4-10

  2018年10月,重点实验室闫海洋博士带领的中子极化团队,通过自主设计研制的极化系统,观测到72.7±0.4%3He极化率,这是目前国内首次实现该应用类型的装置并实测到这样的极化率,填补了超级极化技术的国内空白。

  超极化技术的研究同时具备基础、应用、国防和军民融合意义。自2015年起,在中国绵阳研究堆启动了基于极化3He的中子极化和极化分析技术的研究。目前已阶段性的完成了3He极化系统的研制,实现了磁场和加热温控系统、光学泵浦系统和极化率测量系统的设计、制造、装配和总体调试。对于一个充装了1.16bar 3He气体、50torr N20.1g碱金属Rb的气室,团队已经观测到72.7±0.4%3He极化率。图1为团队所建装置的示意图,图2为装置在实际运行状态时的实物照片。

   

   极化3He系统示意图

   

  中子物理学重点实验室极化3He系统实物图,左图为激光照亮的3He气室;中图磁场环境和加热炉,右图为光学泵浦系统激光实际运行时状态。

  惰性气体原子核极化技术,是一项极为独特的技术。该技术利用原子分子物理光学的原理,在较低磁场环境下,用激光将气压为bar量级的3He129Xe131Xe等具有自旋的惰性气体原子核极化到百分之几十的程度对比我们科学城医院1.4T的核磁共振成像装置(MRI)的质子极化率只有~10-6量级。因该技术所能制备的原子核极化率远远超过其热平衡态,又被称之为超极化(Hyperpolarization)。

  这种超极化技术在多领域里都有应用:超极化的3He129Xe可用作MRI的造影剂用于病人的肺部或气管成像;以超极化的129Xe131Xe为工作介质,可以制造高精度、低功耗、小体积的量子陀螺仪;以超极化技术为基础,可以实现对磁场的高精度测量;原子核超极化的DT3He,聚变反应截面增加50%,从而对聚变研究有所帮助;基于该技术,还可以实现对自旋相关的基本物理学定律和对称性的高精度检验以及探测标准模型之外的新物理。

  这种使用超极化3He极化中子的技术,尽管在西方发达国家已有超过30年的研究历史和经验积累,但在国内一直还处于空白阶段。尽管极化团队负责人闫海洋博士有在国外相关研究的经验,但他并没有简单的山寨国外的装置,而是进行了创新和改进。从外观上看,重点实验室中子极化团队装置即与国外的装置有非常明显的区别国外的大都使用大尺寸圆形的Helmholtz线圈,而重点实验室的则是方形的四线圈(图3)。使用这种四方形线圈构型的主磁场,极大的减少了装置体积外(体积减少到前者的~1/4以下)。理论分析和实测表明,这种四正方形构型的线圈,不仅均匀度更好(图4),在工程实践上因为其方形的形状也更容易放置如图4中方形的西瓜。根据我们的有限了解,这是国际上第一次在极化惰性气体装置中,使用这样构型的线圈。

   

  左图,国际流行装置主磁场和AFP线圈均为圆形;右图,二所装置主磁场和AFP线圈均为方形。

   

  左图,四正方形线圈的数值分析结果;右图:方形的形状容易放置

      这种应用于中子散射的极化系统不仅需要高的极化率(>50%),一旦系统实现泵浦极化后,还需要有可靠的测量手段对绝对的极化率进行较为精确的标定。为精确的实时的监测3He的极化率,采用了三种磁共振技术,使用FID NMR监测相对极化率,使用AFP NMR实现对3He极化的无损翻转(图5),最后使用Rb电子的电子顺磁共振(EPR)实现对已知3He气压的气室的绝对极化率的测量。

   

  5  核物理与化学所极化3He极化率测量系统示意图

   

  6  核物理与化学所极化3He极化AFP翻转例子,左图为翻转前FID NMR信号,右图为翻转后信号,注意两个信号的180o相差。

   

  7  核物理与化学所系统实测EPR频率移动

  无损的AFP翻转和EPR频移测量,结合气室的已知气压,二所团队最后发现实现了72.7±0.4%3He极化率。根据我们的有限了解,这是目前国内首次实现该应用类型的装置并实测到这样的极化率。

  

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文章录入:余泳 责任编辑:余泳
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