核物理应用:天然的军民融合

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  我们在讨论军工企业和科研院所的发展时,少不了军民融合这一维度。从初衷来看,我国的核物理研究是为了服务于我国的核工业发展的,而从功能性上来说,核物理的基础研究“为了科学而科学”的单纯性,赋予了它天然的军民融合的属性,在应用上不存在军民之分。
  它提供了土壤,至于要结什么果,就看播种者的目的性。就像20世纪30年代关于铀核裂变现象的发现,揭示了人类有可能从自然界获取一种巨大新能源的美好前景,然而却不幸地被首先用于军事和争霸,加之后来发生切尔诺贝利事件和福岛核电站事故,使得今天人们谈核色变。
  虽如此,在世界的各个科研院所和大学中,仍然有许许多多的科学家投身到核世界的研究当中,希望能够将其研究透彻,减少其危害,增加其应用。核物理所就是其中一支重要力量!
  14C,寻找历史的时间刻度
  核科技的神秘面纱是从一本西藏经书慢慢掀开的。
  2016年7月,中国原子能科学院的专家在参加西藏咨询活动时,了解到西藏大学藏文古籍研究所有一份重要的藏经古籍年代不明确,希望能够通过现代技术推算出经书的大致时间。为此,专家将藏经整理过程中散落的少许碎纸屑带回北京,交给了核物理所核物理应用研究室。
  “我们接到这个任务后,所里利用自主研发的小型加速器质谱仪(AMS),测得用于制作经书纸张的时间为公元1032年(误差正负56年),这为确定藏文经书年龄提供了十分重要的依据。”核物理应用研究室主任何明介绍。
  其中,一个最重要的原理是基于放射性核素14C。所有的生命体在活着的时候14C与12C的比例是固定的,当生物体死亡后,它的新陈代谢就会停止,其中所含的14C会逐渐衰变,含量不断减少。因此,只要测得样品中14C与12C的比值,就可计算出它的死亡年代。
  那么,何为加速器质谱分析?拆开来理解,根据百度百科的定义,质谱即用电场和磁场将运动的离子,按它们的质荷比分离后进行检测的方法。但在实际操作中,由于14C的半衰期长,样品中每千克碳每秒的衰变数很微小,因此测量时要求样品数量大,给实际操作带来困难。为解决这一问题,科学家们就将加速器应用其中,将粒子加速到一定能量后,在此状态下,可有效排除各种干扰,使得分析的灵敏度极大提高,仅需很少样品即可实现超痕量核素的精确测定。
  上世纪,为了更好地服务于核物理的基础研究和国防建设,核物理所就引进了HI-13串列加速器,搭建了我国第一条加速器质谱装置( AMS)。
  基于这条AMS系统,核物理所相继开展了系统的设备、技术和应用研究,先后获得一项国家科技进步奖和五项省部级科技进步奖。
  测量深海的矿藏生长
  目前,核物理所依托HI-13串列加速器所搭建的AMS,是国内能量最高的加速器质谱系统,在国际上也是居于前列。
  通过不断的技术改进,目前已实现了3H、10Be、14C、36Cl、41Ca、60Fe、129I、236U、239Pu等十余种长寿命放射性核素的高灵敏测量技术,在国际上也是为数不多。
  就拿其中的10Be来说,它是锰结核中的超痕量放射性核素,而锰结核是一种十分珍贵且优良的矿物资源,分布在深海底部,在现代社会上应用非常广,小到制造钢材、大到制造坦克。
  依据1982年《联合国海洋法公约》,中国成为继印度、法国、日本、俄罗斯之后,第5个注册登记的大洋锰结核采矿“先驱投资者”。而这一资格来的也并不容易,虽然我们国家已经具备了开采的能力,但是联合国却给我们提出了这样的问题:如何证明这里的锰结核适不适合开采?也就是说这里的矿藏是值得投入的富矿,还是看起来广茂的贫瘠表层。
  这需要多方面的分析、研究,而其中一个关键数据就是锰结核的生长速率是多大?这个看似不简单的任务到核物理所迎刃而解。
  “交到了核物理所,按照AMS系统,我们将圆形的锰结核切开剖面,通过分析他里面每一层的10Be的含量,就可以知道多少万年生长多少毫米。最后测出每百万年生长1.2个毫米,可以证明这是一个适合开采的矿藏,”由此为我国获得30万平方公里的海洋开采权提供了关键数据, “这可是相当于一个省的面积呀”,何明主任补充道。
  由于核物理AMS系统的高灵敏、高精度、多范围的特点,使得该技术除考古学外,还广泛应用于核能、核安全、环境科学、医疗研究、海洋科学、地质与水文学、超纯材料研究和食品药品安伞等领域。
  微孔之间护健康
  不知从何时起,防雾霾口罩成了居家必备的良品。
  但绝大多数人,对于口罩的选择并非专业。市面上普通的纱布口罩仅能把大颗粒阻挡住,但对于直径小于5微米的颗粒物阻挡不住,更不用说PM2.5颗粒物。
  而核物理所的重离子微孔膜技术则可以将用于过滤的孔加工至0.2微米~5微米之间。“重离子微孔膜是利用径迹蚀刻技术制成的一种新型微孔滤膜。简单而言,就是微米厚的膜,用粒子打上去之后就会出现损伤,经过酸或碱进行蚀刻之后,就会形成微孔,将孔径控制在微米范围”,何明主任给我们形象的介绍道。
  据核物理所焦学胜副所长介绍,核物理所研发中心研制的防雾霾口罩,经国家劳动用品质量监督检测中心检测,过滤效率> 90%,呼气和吸气阻力< 180pa,优于国家标准要求。
  除了孔型可选且过滤度高的特点外,重离子微孔膜还具有以下优点:表面过滤,截留特性好;拉伸强度大,柔韧性好;机械强度大、表面平整光洁;热稳定性高和化学稳定性好、不脱落、不会造成第二次污染。
  简言之,它是一种结构理想、性能优越的新型过滤材料。
  这一技术的应用也十分广泛,在医用上,可对医用输液管的中间的过滤器,经过微孔膜技术,能有效过滤药液中的颗粒物;在防伪上,微孔膜可以制作任何图案和文字的防伪标识,难以伪造且易于识别;在病理分析上,对人体的体液进行筛分,对筛分后的信息进行分析得到症结。重离子微孔膜在空气过滤、“三废”处理、锂电池隔膜、纳米材料、医学、环境保护、食品保鲜等领域的应用前景非常广阔。
  開启融合共建新模式
  当我们走近核物理,聆听这些有趣的案例,将核技术与生活中的各种现象关联起来之后,我们对“核”也有了新的认识。
  畏惧还是拥抱?公众自有选择。而在推进核应用的道路上,核物理所积极践行。
  今年1月,为推动军民融合发展战略落地生根,核物理所与瑞昌市签署战略合作框架协议,开启了院地合作共建研究机构的融合创新模式。
  陈东风所长告诉记者:在此基础上,我们将以核物理所部分应用项目为试点,以“面向世界科技前沿、面向国家战略需求、面向国民经济建设,加强原始科技创新、加强关键技术集成、加强科技成果转化”为指导思想,与瑞昌市政府在当地联合成立研究院,拓展我院技术发展和应用成果转化空间,促进瑞昌市产业转型升级和人才队伍培养。
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