同位素的电磁分离
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第371页（3153字）
原子核内质子数相同而中子数不同的一类核素称为同位素。
自1912年汤姆逊(Thomson)用正一射线分析器观察到氖－20和氖－22证明了一般元素存有稳定同位素之后，人们便对同位素的分离产生极大兴趣。因为这不仅需要认识它的性质和规律，而且它还具有极其重要的应用价值。电磁法分离发现较早，它对核科学技术的发展起过重要作用，现在仍然是分离轻重元素之间金属同位素的重要方法。
1919年阿斯顿(Aston)研制成功了第1台质谱计，首次发现了氖、氢、氪、氙和氯的同位素，证明了电磁原理能有效地把不同质量数的同位素区分开，为以后的电磁法分离同位素奠定了基础。
1934年奥利普汉(Oliphant)设计了一台利用交叉电磁场的分离器，用热发射离子源分离出锂的同位素。1937年瓦尔切(Walcher)建造成可谓之实验室型电磁分离器原型，制备出薄的同位素靶。1944年科赫(Koch)和尼尔森(Nielsen)又建成了第1台斯堪的那维亚型现代实验室电磁分离器，磁分析器是90°扇形均匀场，离子中心轨道半径为80cm，加速电压40kV，离子束流达到几百微安。该仪器分辨能力高，利用它制备能谱学实验用的β、γ放射源和核反应用的靶。
第二次世界大战期间，核物理学家认识到铀－235裂变在战略上的重要地位，1941年贝克莱辐射实验室在劳伦兹(Lawrence)的领导下在经过改造的回旋加速器上用强流离子源实现了以较高的速率分离铀－235的目的。
这一结果促使美国很快在橡树岭建了电磁分离工厂，在第二次世界大战高潮时期大约有1100多台称作Calutron的大型电磁分离器投入运行，离子束流达到上百毫安，生产出kg量级的浓缩铀－235用于核武器。此后，苏联、法国和英国也相继建造了类似于Calutron的大型电磁分离器。然而，分离铀的工艺很快被气体扩散法所取代，生产型的电磁分离器便转为分离轻重元素之间的多种稳定同位素。
由于科学技术的迅速发展，稳定同位素的应用领域日益广泛，涉及到核物理、核工程、放射和非核化学、核医学、地球科学和生命科学等诸多方面，物理学是应用稳定核素全部品种的唯一领域。仅电磁法40年来就分离了周期表中60多个元素的200多种稳定同位素，橡树岭国家实验室和库尔洽托夫研究所是大量稳定同位素的供应者。
电磁分离器主要由离子源、磁分析器和收集器3部分组成，一般把它们分成实验室型和生产型两类。
普通的电磁分离器在提高离子流强和浓缩同位素纯度等方面仍在不断改进和完善。1965年基莱斯(Gilles)把大型电磁分离器的条形垫片改为场指数n=0．5的非均匀场成为一种双聚焦的磁分析器，提高了质量色散，改善了离子束的聚焦，对钕的同位素分离实验结果表明束流和浓缩系数均有明显提高。橡树岭实验室也把大型电磁器部分地改为255°和180°非均匀场，都取得较好效果。1970年科普朗(Complan)发表了取名为Sidonie的非均匀场实验室型电磁分离器，磁分析器设计场指数为0．523的135°扇形磁铁，离子源、接收器与磁铁的距离是107cm，离子中心轨道半径为85cm，接收同位素离子流达到5mA，用于超铀和高纯同位素分离。1960年贝尔纳斯(Bernas)建造了第一个两级电磁分离器，分离同位素铬－53、镱－173和铀－235的质谱分析数据表明，浓缩系数从一级的几百提高到二级的数万量级。
1972年怀特黑得(Whitehtad)又设计了RPI三级电磁分离器，每一级都用场指数为0．5的180°非均匀场，对各种元素的离子流可以达到500～1000μA，用于分离毫克量级的超纯稳定同位素。
在核物理研究中，人们感兴趣的一个方面就是大量的远离β稳定线的不稳定核，遇到的主要困难是这些核的短寿命和大量不同质量同位素的产生。对此，同位素的电磁分离起到了关键作用。为研究远离β稳定线的核及测量裂变、散裂瞬发产额就必须把电磁法分离器跟加速器或反应堆联在一起，即把所要研究核的产生和分离、测量安排在一个连续过程中形成一个链：
这就是在线电磁分离器系统。
早在1951年哥本哈根研究小组就做过裂变产生的氪－91(T1／2=10s)的实验，但作为一个在线电磁分离器系统还是由波哥(Borg)等人建立起来的。雷文(Ravn)简要评述了近20多年在线电磁分离器的发展，在世界各国的重粒子加速器、反应堆或中子发生器和高能加速器旁已装备了37个在线分离系统，产生和分离大约有82种元素的1200个核素的离子束，这种方法已成为现代核物理实验的重要手段。
在电磁法分离同位素中，有人在探索等离子体分离效应，为证实这一概念的可能性，曾做过许多理论和实验研究工作，旋转等离子体和离子回旋共振被认为是最有希望的方法。
旋转等离子体由于可望达到108m／s2量级的离心加速度，有可能获得比机械离心机大的分离效应，这已被氖、氩、氪和铀的同位素分离的初步实验所证实。1987年普拉赛得(Prasad)报导了用真空－弧离心机浓缩钙－48和铊－203的实验结果，预测能耗将远低于其它装置。
离子回旋共振更加引人注目，将电场的频率处于所需同位素回旋频率附近，当能量增加时，离子将在更大的回旋半径上循环，这就能够将其它同位素组份分离出来。道森(Dawson)等人在Q机器上的实验表明，有可能将钾离子加速到50eV的温度，实现对收集在处于正偏压冷钨带上钾样品的质谱分析，钾－41／钾－39的丰度比为4，远大于0．07的天然比值。
至今得到的实验结果与理论预测基本上是一致的，这些结果证实了理论预言的高分离系数和分离功。
但是，现在人们还不能确定所观察到的分离效应能否发展成一种经济实用的工艺，正在进行的所有研究工作主要还是进一步搞清物理机制，这是由于牵涉到的物理内容比现代各种浓缩同位素技术都要复杂。
。【参考文献】：1 Gilles J, et al. Nuclear instrument and methods, 1965,38 :128
2 Wilson whitehead T, et al. Nuclear instrument and methods, 1972,103 : 437
3 Dawson J M,et al. Phys Rev lett, 1976,37 = 1547
4 Prasad Rahul R, et al. Nuclear instrument and methods in physics research, 1987,B26 ' 65
5 Ravn H L. Nuclear instrument and methods in physics research, 1987,B26:72
(中国原子能科学研究院苏士俊撰)