[科普中國(guó)]-電磁型同位素分離器

電磁型同位素分離器 是一種同位素質(zhì)譜儀，其最初的設(shè)計(jì)和使用是為了分離鈾的同位素， 由歐內(nèi)斯特 · 勞倫斯在曼哈頓項(xiàng)目期間根據(jù)他早些時(shí)候發(fā)明的回旋加速器研發(fā)而成。 英文名字Calutron來(lái)源于加利福尼亞大學(xué)的回旋加速器，以紀(jì)念它的發(fā)明地也就是勞倫斯當(dāng)年所在的加利福尼亞大學(xué)。在美國(guó)田納西州橡樹(shù)嶺克林頓工程師工程的一個(gè)車(chē)間， 電磁型同位素分離器用于工業(yè)規(guī)模的 Y-12 鈾濃縮. 1945年8月6日在廣島上空爆炸的那顆小男孩原子彈中就使用了這些濃縮鈾。

簡(jiǎn)介電磁型同位素分離器是一種同位素質(zhì)譜儀，其最初的設(shè)計(jì)和使用是為了分離鈾的同位素，由歐內(nèi)斯特 · 勞倫斯在曼哈頓項(xiàng)目期間根據(jù)他早些時(shí)候發(fā)明的回旋加速器研發(fā)而成。 英文名字Calutron來(lái)源于加利福尼亞大學(xué)的回旋加速器，以紀(jì)念它的發(fā)明地也就是勞倫斯當(dāng)年所在的加利福尼亞大學(xué)。在美國(guó)田納西州橡樹(shù)嶺克林頓工程師工程的一個(gè)車(chē)間， 電磁型同位素分離器用于工業(yè)規(guī)模的Y-12鈾濃縮.1945年8月6日在廣島上空爆炸的那顆小男孩原子彈中就使用了這些濃縮鈾。

電磁型同位素分離器是一種扇形質(zhì)譜儀，可以將樣本電離，得到的離子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速、磁場(chǎng)偏移方向，最終碰撞金屬板，并產(chǎn)生強(qiáng)度可衡量的電流。由于不同同位素的離子，電荷相同但質(zhì)量不同，較重的同位素在磁場(chǎng)方向偏移較小，就導(dǎo)致不同質(zhì)量的粒子束分別打擊在金屬板的不同位置。同位素的質(zhì)量可根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度及同位素電荷計(jì)算得出。第二次世界大戰(zhàn)期間，這一原則被運(yùn)用于研發(fā)電磁型同位素分離器，以通過(guò)鈾的不同同位素之間細(xì)微的質(zhì)量差來(lái)大量提煉高純度的鈾-235。

二戰(zhàn)后，鈾的濃縮不再使用電磁分離法，而是采用一種更為復(fù)雜、高效的氣態(tài)擴(kuò)散法。 雖然二戰(zhàn)結(jié)束時(shí)，多數(shù)曼哈頓計(jì)劃期間使用過(guò)的電磁型同位素分離器被拆毀，有一些仍得以保存下來(lái)，生產(chǎn)天然元素的高純度同位素濃縮樣本并用于軍事、科學(xué)和醫(yī)療。1

起源1938年德國(guó)化學(xué)家?jiàn)W托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)核裂變，莉澤·邁特納和奧托·弗里施提出了核裂變的理論解釋。尼爾斯·玻爾將這一消息傳播到了美國(guó)。根據(jù)他的原子核液滴模型，他從理論角度分析認(rèn)為，主要導(dǎo)致熱中子裂變的是鈾-235而不是數(shù)量更豐富的鈾-238。1940年4月，為驗(yàn)證玻爾的說(shuō)法，明尼蘇達(dá)大學(xué)的阿爾弗雷德·尼爾用質(zhì)譜儀制造出微量的濃縮鈾-235。然后，約翰·鄧寧、阿里斯蒂德·格羅斯 和尤金·布斯驗(yàn)證得出玻爾的理論分析是正確的。利奧·西拉德和沃爾特·津恩很快又證實(shí)每一次核裂變都釋放一個(gè)中子，至此，幾乎可以肯定核反應(yīng)鏈可以發(fā)生，原子彈的開(kāi)發(fā)具有理論可行性。因此也有人擔(dān)心第一個(gè)原子彈計(jì)劃會(huì)誕生在德國(guó)，尤其是那些從納粹德國(guó)和其它法西斯國(guó)家逃難來(lái)的科學(xué)家們。

在英國(guó)伯明翰大學(xué)、澳大利亞物理學(xué)家馬克?歐力峰把調(diào)查原子彈發(fā)生的可行性這一人物分配給兩個(gè)難民物理學(xué)家，分別是奧托·弗里施和魯?shù)婪颉づ鍫査?。極具諷刺意味的是，他們由于敵國(guó)公民這一身份，被禁止參與雷達(dá)這類(lèi)機(jī)密項(xiàng)目。1940年3月的弗里施-佩爾斯備忘錄指出，鈾-235的臨界質(zhì)量在10kg數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，這個(gè)數(shù)值意味著當(dāng)時(shí)的轟炸機(jī)足以載原子彈。隨后，英國(guó)莫德委員會(huì)一致建議發(fā)展原子彈。英國(guó)方面還允許美方參與其科研過(guò)程，由此，蒂澤德計(jì)劃的約翰·考克饒夫?yàn)槊绹?guó)科學(xué)家簡(jiǎn)要介紹了英國(guó)的研發(fā)進(jìn)展。他發(fā)現(xiàn)，美國(guó)該項(xiàng)目比英國(guó)的規(guī)模小，且較落后。

失望的歐力峰飛到美國(guó)與那里的科學(xué)家溝通這項(xiàng)研究，其中 包括加利福尼亞大學(xué)伯克利輻射實(shí)驗(yàn)室的歐內(nèi)斯特 · 勞倫斯。兩人不僅在戰(zhàn)前就見(jiàn)過(guò)，還是朋友。勞倫斯被歐力峰的研究想法折服，開(kāi)始了他對(duì)鈾的研究。天然鈾中僅含0.72%鈾-235，因此任何鈾濃縮過(guò)程的分離系數(shù)都需要高于1250，才能從天然鈾當(dāng)中提煉出純度高達(dá)90%的鈾-235。對(duì)此，莫德委員會(huì)曾建議氣體擴(kuò)散法，但在1934年，歐力峰開(kāi)創(chuàng)性地用了電磁分離，這是尼爾采用的提煉程序。

電磁分離的原理是帶電離子經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，質(zhì)量較輕的偏轉(zhuǎn)方向較大。莫德委員會(huì)和后來(lái)美國(guó)科學(xué)研究與開(kāi)發(fā)辦公室的S-1執(zhí)行委員會(huì)對(duì)電磁分離不予以考慮，因?yàn)楸M管質(zhì)譜儀能夠分離同位素，但由于電荷空間阻制導(dǎo)致產(chǎn)率太低。正離子帶正電荷，互相排斥使離子束分散?；诠ぷ髦惺褂盟约喊l(fā)明的回旋加速器來(lái)準(zhǔn)確控制帶電粒子束的經(jīng)驗(yàn)，勞倫斯懷疑真空倉(cāng)中的空氣分子會(huì)中和離子電量，從而產(chǎn)生聚焦離子束。歐力峰激發(fā)了勞倫斯將他的37英寸（94 cm）回旋加速器改裝成一個(gè)巨大的質(zhì)譜儀，以用來(lái)分離同位素。

1941年11月24日，37英寸的回旋加速器在伯克利分校被拆除。它的磁鐵被用于建首個(gè)電磁型同位素分離器。Calutron這個(gè)名字的來(lái)源是加利福尼亞大學(xué)和回旋加速器的英文名稱(chēng)。起初，資金由輻射實(shí)驗(yàn)室的資助來(lái)源——自然科學(xué)進(jìn)步基金會(huì)研究公司提供，5000美金。到了12月，勞倫斯收到了S-1 鈾委員會(huì)提供的40萬(wàn)美金資助。電磁型同位素分離器由帶一條狹縫的盒子狀離子源組成，里面安裝了熱絲。四氯化鈾經(jīng)熱絲電離，再通過(guò)長(zhǎng)2英寸寬0.04英寸（50.8 mm 1.0 mm）的狹縫進(jìn)入真空倉(cāng)，接著離子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn) 180°，得到的濃縮鈾和貧化鈾均進(jìn)入收集器中。

1941年12月2日，電磁型同位素分離器首次使用，幾天后就發(fā)生了日本偷襲珍珠港事件，美國(guó)被卷進(jìn)了第二次世界大戰(zhàn)。分離器的首次使用得到了強(qiáng)度5微安 （μA）的鈾離子束。勞倫斯關(guān)于真空倉(cāng)空氣分子影響的預(yù)感得以驗(yàn)證。1942年1月14日，經(jīng)過(guò)9小時(shí)運(yùn)作，最終由50 μA 的離子束提煉出18 μg純度25%的鈾-235，10倍于尼爾的產(chǎn)量。到了2月，技術(shù)改進(jìn)，可釋放1400 μA 離子束。同月，75 μg 純度達(dá)30%的濃縮鈾樣本被海運(yùn)到英國(guó)和芝加哥大學(xué)冶金實(shí)驗(yàn)室。

其他研究人員也對(duì)電磁同位素分離進(jìn)行了調(diào)查。 在普林斯頓大學(xué)，由亨利·德沃爾夫·史邁斯和羅伯特·威爾遜帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種叫做isotron的同位素分離裝置。借助速調(diào)管，他們能夠用高壓電而不是磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行同位素分離。研究持續(xù)到1943年2月，鑒于電磁型同位素分離器提煉效果更好，團(tuán)隊(duì)工作被終止，被派遣做別的研究任務(wù)。在康奈爾大學(xué)，勞埃德·史密斯帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了輻射狀磁場(chǎng)分離器，團(tuán)隊(duì)成員有威廉·帕金斯和西奧多·福雷斯特。他們很驚訝得到的離子束比預(yù)期更準(zhǔn)確，并且還得出了真空倉(cāng)中的空氣能穩(wěn)定離子束的結(jié)論，和勞倫斯的相似。1942年2月，該團(tuán)隊(duì)和勞倫斯在伯克利分校的團(tuán)隊(duì)合并。1

研究盡管以上實(shí)踐證明同位素分離可行，但還需大量工作才能做出可投入使用的同位素分離器樣機(jī)。勞倫斯聚集了一些物理學(xué)家來(lái)解決問(wèn)題，他們分別是戴維·玻姆、愛(ài)德華·康登、唐納德·庫(kù)克西、西奧多·福雷斯特、歐文·朗繆爾、肯尼斯·羅斯·麥肯齊、弗蘭克·奧本海默、羅伯特·奧本海默、羅伯特·帕金斯、伯納德·彼得斯和約瑟夫·斯萊皮恩。1943年11月，英國(guó)參與到曼哈頓計(jì)劃的團(tuán)隊(duì)加入到這些物理學(xué)家的研究團(tuán)隊(duì)中。英國(guó)團(tuán)隊(duì)由歐力峰帶領(lǐng)，成員有澳大利亞物理學(xué)家、院士哈里·梅西和埃里克·伯霍普，英國(guó)物理學(xué)家比如瓊·柯倫和托馬斯·阿利本。

在伯克利分校，勞倫斯有一個(gè)大回旋加速器還在修建中，帶有一個(gè)184英寸（470 cm）高的磁鐵。這個(gè)裝置被改造成了電磁型同位素分離器，并在1942年5月26日第一次開(kāi)啟。和37英寸的類(lèi)似，整個(gè)分離器在俯瞰角度像個(gè)巨大的字母C。操作員坐在C開(kāi)口的那端，控制溫度、調(diào)整電極位置、甚至還能在運(yùn)作過(guò)程中通過(guò)氣閘更換組件。新一代更強(qiáng)大的電磁型同位素分離器沒(méi)有被用來(lái)提煉濃縮鈾，而是做有多個(gè)離子源的實(shí)驗(yàn)。這意味著要有更多的收集器，但也能將產(chǎn)量翻倍。

問(wèn)題是，離子束互相沖撞會(huì)產(chǎn)生一系列稱(chēng)為混雜的振蕩。于是在1942年9月，能將沖撞最小化的裝置被加了進(jìn)去，得到了相當(dāng)好的離子束。羅伯特·奧本海默和斯坦·弗蘭克爾發(fā)明了磁場(chǎng)墊片，調(diào)整磁場(chǎng)均勻度。這些墊片是大約一米寬的鐵片，固定在真空倉(cāng)的頂部和底部。墊片的作用是微幅加大磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)幫助聚焦離子束。1943年，墊片的使用研究一直在進(jìn)行。電磁型同位素分離器的主要專(zhuān)利有： 分離材料的方法和設(shè)備（勞倫斯）、磁場(chǎng)墊片（奧本海默和弗蘭克爾）、以及電磁型同位素分離器系統(tǒng)（勞倫斯）。

后來(lái)，伯霍普和博姆研究了磁場(chǎng)中放電現(xiàn)象的特征，也就是現(xiàn)在我們說(shuō)的玻姆擴(kuò)散。他們研究磁控制下等離子體性質(zhì)的論文在戰(zhàn)后針對(duì)核聚變的研究中大有用處。其它技術(shù)問(wèn)題較普通，但同樣重要，需要克服。盡管離子束強(qiáng)度很低，但運(yùn)作幾個(gè)小時(shí)后仍可融化集電極。因此，水冷卻系統(tǒng)又被設(shè)計(jì)安裝在集電極和真空倉(cāng)底部。清理流程的開(kāi)發(fā)可以處理冷凝在真空倉(cāng)里的”黏糊糊的東西“。一個(gè)特別的問(wèn)題是積垢堵塞狹縫，導(dǎo)致離子束無(wú)法聚焦或不能穿過(guò)狹縫。

這些化學(xué)家不得不想辦法用二氧化鈾生產(chǎn)大量四氯化鈾（UCl 4）（尼爾使用的是溴化鈾）。最初，他們使用氫來(lái)把三氧化鈾（UO 3）變成二氧化鈾（UO 2），再和四氯化碳（CCl 4）進(jìn)行反應(yīng)，生成四氯化鈾。查爾斯·克勞斯提出了一個(gè)更好的大規(guī)模生產(chǎn)辦法，其中需要將氧化鈾和四氯化碳在高溫高壓條件下進(jìn)行反應(yīng)，得到的產(chǎn)物是五氯化鈾（UCl 5）和光氣（COCl 2）。盡管不像氣體擴(kuò)散法需要用的六氟化鈾那樣不好控制，但四氯化鈾易潮解，因此操作必須在用五氧化二磷（P 4O 10）保持干燥的手套箱中進(jìn)行。光氣是一種致命的毒氣，使用時(shí)化學(xué)家必須戴防毒面具。

電磁分離同位素的研究和開(kāi)發(fā)耗資1960萬(wàn)美金，其中1800萬(wàn)（92%）花在了伯克利分校的輻射實(shí)驗(yàn)室。進(jìn)一步工作由布朗大學(xué)、約翰·霍普金斯大學(xué)和普渡大學(xué)以及田納西伊士曼公司進(jìn)行。1943年，工作重點(diǎn)從研究轉(zhuǎn)移到開(kāi)發(fā)、工程、培訓(xùn)工人，目的是操控田納西州橡樹(shù)嶺克林頓工程師工程的生產(chǎn)設(shè)備。到1944年中，輻射實(shí)驗(yàn)室有將近1200名工作人員。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)