北斗原子鐘為何這么準(zhǔn)

      在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，時間是否精準(zhǔn)是一項極為關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。2017年初，舉世矚目的北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的26臺星載銣原子鐘（簡稱“銣鐘”）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠在軌運(yùn)行，標(biāo)志著我國已經(jīng)成為繼美國、俄羅斯之后完全自主建立導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國家。
       銣鐘是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的“心臟”，目前可以實(shí)現(xiàn)每3000年僅1秒鐘的誤差，它的精度決定了導(dǎo)航時間、位置的準(zhǔn)確度。那么，是什么讓它這樣準(zhǔn)呢？答案是：銣87（87Rb）。它是衛(wèi)星導(dǎo)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(yùn)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(jì)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(xiàn)。進(jìn)入21世紀(jì)后，我國正在運(yùn)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(yán)重，運(yùn)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(dǎo)航定位系統(tǒng)的要求，并強(qiáng)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(shè)計批復(fù)，建設(shè)內(nèi)容為對原來的F-3電磁分離器進(jìn)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(xué)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(diǎn)。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(shí)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(jìn)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(xué)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(yùn)技術(shù)、束流探測技術(shù)、真空技術(shù)、高壓技術(shù)、計算機(jī)輔助控制技術(shù)等諸多領(lǐng)域，是多學(xué)科交叉的復(fù)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(jìn)行試運(yùn)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(jī)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(jī)。
       改造后的EMIS-170同位素電磁分離器，總體技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)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(diǎn)。研發(fā)的聚焦面自適應(yīng)的接收器，可以隨著磁場的波動自動進(jìn)行適應(yīng)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(dá)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(yīng)用元素種類和應(yīng)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(shè)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(chǔ)研究、醫(yī)學(xué)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(yīng)用將越來越多。