[科普中國]-北斗原子鐘為何這么準

在衛(wèi)星導航領(lǐng)域，時間是否精準是一項極為關(guān)鍵的技術(shù)指標。2017年初，舉世矚目的北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)的26臺星載銣原子鐘（簡稱“銣鐘”）實現(xiàn)穩(wěn)定可靠在軌運行，標志著我國已經(jīng)成為繼美國、俄羅斯之后完全自主建立導航定位系統(tǒng)的國家。

銣鐘是北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的“心臟”，目前可以實現(xiàn)每3000年僅1秒鐘的誤差，它的精度決定了導航時間、位置的準確度。那么，是什么讓它這樣準呢？答案是：銣87（87Rb）。它是衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)核心中的核心，它的豐度，即該種同位素的相對含量，決定了原子鐘的精度。

87Rb是通過分離銣元素的同位素得來的。目前，我國唯一一臺尚在運行的大型同位素電磁分離器裝置就是位于中國原子能院的EMIS-170同位素電磁分離器。這臺關(guān)鍵的分離器是保障北斗原子鐘“精度”的“神器”。它是如何研發(fā)成功的呢？

我國的電磁分離器從20世紀60年代初開始研制，先后在原子能院建成了5臺分離器，共分離了28種元素的131種同位素，曾分離的238U、6Li、7Li等同位素，為我國的“兩彈”事業(yè)作出了貢獻。進入21世紀后，我國正在運行的大型同位素電磁分離器只剩F-3，該分離器于1968年建成投產(chǎn)，已經(jīng)使用四十多年，多個關(guān)鍵器件老化嚴重，運行狀態(tài)不理想，在電磁分離技術(shù)方面與國際上尤其是美、俄的差距逐漸增大，同位素豐度、純度及同位素種類無法滿足各方面的需求。

2002年，我國提出了發(fā)展“北斗二代”星載導航定位系統(tǒng)的要求，并強調(diào)自主創(chuàng)新，希望材料全部國產(chǎn)化，因此對銣同位素的需求迫切，需求量也越來越大。在諸多分離同位素的方式中，對于銣，電磁法是唯一可行的方法。因此，為保證高豐度穩(wěn)定同位素生產(chǎn)的國產(chǎn)化，研制一臺新型同位素電磁分離器已經(jīng)迫在眉睫。

于是，在2010年，“同位素電磁分離器綜合技術(shù)改造”項目被提到議事日程，并于2013年10月取得國家的初步設計批復，建設內(nèi)容為對原來的F-3電磁分離器進行綜合技術(shù)改造，提升我國分離器技術(shù)能力和工藝水平。

不同同位素之間，化學性質(zhì)是相同的，物理性質(zhì)是不同的。用電磁法把不同的同位素分開，就是利用其物理性質(zhì)不同這一特點。而分離的基本過程是將待分離的同位素原料加熱汽化，在離子源放電室內(nèi)和電子發(fā)生碰撞電離（即讓粒子帶電），形成等離子體，通過電極系統(tǒng)引出后，形成具有一定能量和形狀的離子束，利用帶墊片的主磁鐵產(chǎn)生的非均勻橫向磁場實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、質(zhì)量分離和角聚焦，可同時獲得同一元素的多種同位素，由接收器進行接收。

所以，EMIS-170電磁分離器主要由離子源系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)、接收器系統(tǒng)、束流檢測系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、化學提純系統(tǒng)組成，涉及等離子體技術(shù)、束流引出技術(shù)、束流輸運技術(shù)、束流探測技術(shù)、真空技術(shù)、高壓技術(shù)、計算機輔助控制技術(shù)等諸多領(lǐng)域，是多學科交叉的復雜系統(tǒng)。

最終，我國EMIS-170同位素電磁分離器2015年9月份改造完成并進行試運行，于2016年9月28日順利通過國防科工局組織的最終驗收。經(jīng)改造后，EMIS-170同位素電磁分離器的穩(wěn)定性顯著提高，可連續(xù)開機超過24小時，對環(huán)境因素依賴小，不必像從前要看老天的臉色，遇高溫、潮濕天氣便不能開機。

改造后的EMIS-170同位素電磁分離器，總體技術(shù)達到了國際先進水平。自主研發(fā)的離子源，具備離子體密度和發(fā)射面穩(wěn)定性高、壽命長的特點。研發(fā)的聚焦面自適應的接收器，可以隨著磁場的波動自動進行適應性的偏移，保證了同位素的豐度。同時，銣同位素的純度也在歷史上首次達到“999”，即雜質(zhì)小于1‰。

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，穩(wěn)定同位素的應用元素種類和應用領(lǐng)域越來越廣泛，比如它可以作為一些放射性同位素的輻照靶材；可以用來制作高端精密儀器設備；可以作為核電池的長效能源；可以追蹤測量人體微量元素的吸收情況；可以作為示蹤劑測出眾多污染源的出處……作為特種功能材料，穩(wěn)定同位素已經(jīng)或即將成為基礎研究、醫(yī)學治療、工業(yè)技術(shù)等許多領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵材料，相信EMIS-170同位素電磁分離器的應用將越來越多。

（作者：張彬 單位：中國原子能院）