北斗原子鐘為何這么準(zhǔn)

      在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，時(shí)間是否精準(zhǔn)是一項(xiàng)極為關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。2017年初，舉世矚目的北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的26臺(tái)星載銣原子鐘（簡(jiǎn)稱“銣鐘”）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠在軌運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后完全自主建立導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國(guó)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(shí)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(duì)含量，決定了原子鐘的精度。
       87Rb是通過(guò)分離銣元素的同位素得來(lái)的。目前，我國(guó)唯一一臺(tái)尚在運(yùn)行的大型同位素電磁分離器裝置就是位于中國(guó)原子能院的EMIS-170同位素電磁分離器。這臺(tái)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(guó)的電磁分離器從20世紀(jì)60年代初開(kāi)始研制，先后在原子能院建成了5臺(tái)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(guó)的“兩彈”事業(yè)作出了貢獻(xiàn)。進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)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(gè)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(guó)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(wú)法滿足各方面的需求。
       2002年，我國(guó)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(guó)產(chǎn)化，因此對(duì)銣同位素的需求迫切，需求量也越來(lái)越大。在諸多分離同位素的方式中，對(duì)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(guó)產(chǎn)化，研制一臺(tái)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(xiàng)目被提到議事日程，并于2013年10月取得國(guó)家的初步設(shè)計(jì)批復(fù)，建設(shè)內(nèi)容為對(duì)原來(lái)的F-3電磁分離器進(jìn)行綜合技術(shù)改造，提升我國(guó)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(kāi)，就是利用其物理性質(zhì)不同這一特點(diǎn)。而分離的基本過(guò)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(guò)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、質(zhì)量分離和角聚焦，可同時(shí)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(chǎng)系統(tǒng)、接收器系統(tǒng)、束流檢測(cè)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(cè)技術(shù)、真空技術(shù)、高壓技術(shù)、計(jì)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(guó)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(guò)國(guó)防科工局組織的最終驗(yàn)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(kāi)機(jī)超過(guò)24小時(shí)，對(duì)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(kāi)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(guó)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(zhǎng)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(chǎng)的波動(dòng)自動(dòng)進(jìn)行適應(yīng)性的偏移，保證了同位素的豐度。同時(shí)，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(lái)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(lái)制作高端精密儀器設(shè)備；可以作為核電池的長(zhǎng)效能源；可以追蹤測(cè)量人體微量元素的吸收情況；可以作為示蹤劑測(cè)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(lái)越多。