Добрый доктор гелий-3

Общее число гелия-3 в воздухе Почвы оценивается всего лишь в 35 000 т. Его поступление из мантии в воздух (через разломы и вулканы в коре) образовывает пара килограммов в год. В лунном реголите гелий-3 неспешно накапливался в течение сотен миллионов лет облучения солнечным ветром. В следствии тонна лунного грунта содержит 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,04 процентов) существенно выше, чем в земной воздухе.

Амбициозные замыслы добычи гелия-3 на Луне, на полном серьезе разглядываемые не только космическими фаворитами (Российская Федерация и США), но и новичками (Индия и Китай), связаны с надеждами, каковые возлагают на данный изотоп энергетики. Ядерная реакция 3Не+D4Не+p имеет последовательность преимуществ если сравнивать с самая достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T+D4Не+n.

К этим преимуществам относится в десятки раз более низкий поток нейтронов из территории реакции, что быстро сокращает наведенную деградацию и радиоактивность конструкционных материалов реактора. Помимо этого, один из продуктов реакции — протоны — в отличие от нейтронов, легко улавливаются и смогут быть использованы для дополнительной генерации электричества.

Наряду с этим и гелий-3, и дейтерий неактивны, их хранение не требует особенных мер предосторожности, а при аварии реактора с разгерметизацией активной территории радиоактивность выброса близка к нулю. Имеется у гелий-дейтериевой реакции и большой недочёт — намного более большой температурный порог (для начала реакции требуется температура порядка миллиарда градусов).

Не смотря на то, что все это дело будущего, гелий-3 очень пользуется спросом и по сей день. Действительно, не для энергетики, а для ядерной физики, медицины и криогенной промышленности.

Магнитно-резонансная томография

С момента собственного появления в медицине магнитно-резонансная томография (МРТ) стала одним из главных диагностических способов, разрешающих без всякого вреда посмотреть «вовнутрь» разных органов.

Приблизительно 70 процентов массы людской тела приходится на водород, ядро которого, протон, владеет определенным поясницей и связанным с ним магнитным моментом. В случае если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, магнитный момент и спин ориентируются или на протяжении поля, или навстречу, причем энергия протона в первом случае будет меньше, чем во втором. Протон возможно перевести из первого состояния во второе, передав ему строго определенную энергию, равную разнице между этими энергетическими уровнями, — к примеру, облучая его квантами электромагнитного поля с определенной частотой.

Как раз так и устроен МР-томограф, лишь обнаруживает он не отдельные протоны. В случае если поместить пример, содержащий много протонов в замечательное магнитное поле, то количества протонов с магнитным моментом, направленным на протяжении и навстречу полю, окажутся приблизительно равными. В случае если начать облучать данный пример электромагнитным излучением строго определенной частоты, все протоны с магнитным моментом (и поясницей) «на протяжении поля» перевернутся, заняв положение «навстречу полю».

Наряду с этим происходит резонансное поглощение энергии, а на протяжении процесса возвращения к исходному состоянию, именуемому релаксацией, — переизлучение взятой энергии, которое возможно найти. Это явление и именуется ядерным магнитным резонансом, ЯМР. Средняя поляризация вещества, от которой зависит нужный сигнал при ЯМР, прямо пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля.

Чтобы получить сигнал, что возможно найти и отделить от шумов, требуется сверхпроводящий магнит — лишь ему под силу создать магнитное поле с индукцией порядка 1−3 Тл.

Магнитный газ

МР-томограф «видит» скопления протонов, исходя из этого превосходно подходит для диагностики и изучения мягких органов и тканей, содержащих громадные количества водорода (по большей части в виде воды), и позволяет различать магнитные особенности молекул. Таким методом возможно, скажем, отличить артериальную кровь, содержащую гемоглобин (главной переносчик кислорода в крови), от венозной, содержащей парамагнитный дезоксигемоглобин, — именно на этом основана фМРТ (функциональная МРТ), разрешающая отслеживать активность нейронов головного мозга.

Но, увы, такая превосходная методика, как МРТ, совсем не приспособлена для изучения заполненных воздухом легких (кроме того в случае если наполнить их водородом, сигнал от газообразной среды с низкой плотностью будет через чур не сильный на фоне шумов). Да и мягкие ткани легких не через чур прекрасно видны посредством МРТ, потому, что они «пористые» и содержат мало водорода.

Возможно ли обойти это ограничение? Возможно, в случае если применять «намагниченный» газ — в этом случае средняя поляризация будет определяться не внешним полем, по причине того, что все (либо практически все) магнитные моменты будут ориентированы в одном направлении. И это вовсе не фантастика: во второй половине 60-ых годов двадцатого века французский физик Альфред Кастлер взял Нобелевскую премию с формулировкой «За разработку и открытие оптических способов изучения резонансов Герца в атомах».

Он занимался вопросами оптической поляризации спиновых совокупностей — другими словами именно «намагничиванием» газов (в частности, гелия-3) посредством оптической накачки при резонансном поглощении фотонов с круговой поляризацией.

Дышите глубже

Пионерами применения поляризованных газов в медицине стала несколько исследователей из Принстона и Нью-йоркского университета в Стони-Брук. В первой половине 90-ых годов двадцатого века ученые разместили в издании Nature статью, в которой в первый раз было показано изображение легких мыши, полученное посредством МРТ.

Действительно, МРТ не совсем стандартной — методика была основана на отклике не ядер водорода (протонов), а ядер ксенона-129. К тому же газ был не совсем простым, а гиперполяризованным, другими словами заблаговременно «намагниченным». Так появился новый способ диагностики, что скоро начали использовать и в людской медицине.

Гиперполяризованный газ (в большинстве случаев в смеси с кислородом) попадает в самые дальние закоулки легких, что позволяет взять МРТ-снимок с разрешением на порядок выше лучших рентгеновских снимков. Возможно кроме того выстроить детальную карту парциального давления кислорода в каждом участке легких и позже сделать заключение о качестве диффузии кислорода и кровяного потока в капиллярах. Эта методика разрешает изучить темперамент вентиляции легких у астматиков и осуществлять контроль процесс дыхания критических больных на уровне альвеол.

Преимущества МРТ с применением гиперполяризованных газов этим не ограничиваются. Потому, что газ гиперполяризован, уровень нужного сигнала оказывается существенно выше (приблизительно в 10000 раз). Это указывает, что отпадает необходимость в сверхсильных магнитных полях, и ведет к конструкции так называемых слабопольных МР-томографов — они дешевле, мобильнее и значительно просторнее.

В таких установках употребляются электромагниты, создающие поле порядка 0,005 Тл, что в много раз не сильный стандартных МР-томографов.

Мелкое препятствие

Не смотря на то, что первые опыты в данной области проводились с гиперполяризованным ксеноном-129, скоро его заменил гелий-3. Он безвреден, разрешает приобретать более четкие изображения, чем ксенон-129, имеет втрое больший магнитный момент, что обусловливает более сильный сигнал в ЯМР. Помимо этого, обогащение ксенона-129 из-за близости массы с другими изотопами ксенона — дорогой процесс, да и достижимая поляризация газа значительно ниже, чем у гелия-3.

К тому же ксенон-129 владеет седативным эффектом.

Но в случае если слабопольные томографы несложны и недороги, отчего же способ МРТ с гиперполяризованным гелием не употребляется на данный момент в каждой поликлинике? Имеется одно препятствие. Но какое!

Наследие холодной войны

Единственный метод получения гелия-3 — распад трития. Большинство запасов 3He обязана своим происхождением распаду трития, произведенного на протяжении ядерной гонки оружий во время холодной войны. В Соединенных Штатах к 2003 году было накоплено приблизительно 260 000 л «сырого» (неочищенного) гелия-3, а к 2010 году осталось лишь 12000 л незадействованного газа.

В связи с возрастанием спроса на данный дефицитный газ в 2007 году кроме того было восстановлено производство ограниченных количеств трития, и до 2015 года планируется дополнительно приобретать по 8000 л гелия-3 каждый год. Наряду с этим годовой спрос на него уже на данный момент образовывает не меньше 40 000 л (из них лишь 5 процентов употребляется в медицине). В апреле 2010 года американский Комитет по технологии и науке США сделал вывод, что дефицит гелия-3 приведет к настоящим негативным последствиям для многих областей.

Кроме того ученые, трудящиеся в ядерной отрасли США, испытывают проблемы с приобретением гелия-3 из запасов страны.

Аукционная цена гелия-3 колеблется в районе $2000 за литр, причем никаких тенденций к понижению не отмечается. Недостаток этого газа обусловлен тем, что главная часть гелия-3 употребляется для изготовления нейтронных детекторов, каковые используются в устройствах для обнаружения ядерных материалов. Такие детекторы регистрируют нейтроны по реакции (n, p) — испусканию протона и захвату нейтрона.

А дабы засечь попытки завоза ядерных материалов, таких детекторов требуется довольно много — много тысяч штук. Как раз по данной причине гелий-3 стал фантастически дорог и малодоступен для массовой медицины.

Но, надежды имеется. Действительно, возлагаются они не на лунный гелий-3 (его добыча остается отдаленной возможностью), а на тритий, образующийся в тяжеловодных реакторах типа CANDU, каковые эксплуатируются в Канаде, Аргентине, Румынии, южной Корея и Китай.

Как намагнитить гелий-3

Несложный и самый прямой метод намагнитить гелий-3 — его охлаждение в сильном магнитном поле.

Эффективность этого способа, к сожалению, низка, к тому же он требует сильных магнитных низких температур и полей. Исходя из этого на практике используют способ оптической накачки — передачи атомам гелия поясницы от поляризованных фотонов накачки. При с гелием-3 это происходит в два этапа: оптическая накачка в метастабильном состоянии и спиновый обмен между атомами гелия по большей части и метастабильном состоянии.

Технически это реализуется методом облучения лазерным излучением с круговой поляризацией ячейки с гелием-3, переведенным в метастабильное состояние не сильный высокочастотным электрическим разрядом, в присутствии не сильный магнитного поля. Поляризованный гелий возможно хранить в сосуде с внутренним покрытием из цезия при давлении 10 атм в течение порядка 100 часов.

Как трудится МРТ

МР-томограф обнаруживает скопления протонов — ядер атомов водорода. Исходя из этого МР-томография показывает различия в содержании водорода (по большей части воды) в разных тканях. Существуют и другие методы отличать одну ткань от второй (скажем, различия в магнитных особенностях), каковые используются в специальных изучениях.

Что такое ЯМР

При наложении замечательного магнитного поля магнитные моменты протонов ориентируются параллельно полю — или на протяжении, или навстречу. Эти положения имеют различную энергию
Радиочастотный импульс с резонансной частотой, соответствующей разнице энергий, переворачивает магнитные моменты протонов навстречу полю

По окончании окончания радиочастотного импульса происходит обратный «переворот», и протоны излучают на резонансной частоте. Данный сигнал принимается радиочастотной совокупностью томографа и употребляется компьютером для построения изображения

Ядерный магнитный резонанс применяет магнитные особенности ядер водорода — протонов. Без внешнего магнитного поля магнитные моменты протонов ориентированы произвольно.

Охлаждение смешиванием

Еще одна отрасль, которая неимеетвозможности обойтись без гелия-3 — это криогенная индустрия.

С целью достижения сверхнизких температур используется так называемый рефрижератор растворения, что применяет эффект растворения гелия-3 в гелии-4. При температуре ниже 0,87 К смесь разделяется на две фазы — богатую гелием-3 и гелием-4.

Переход между этими фазами требует энергии, и это позволяет охлаждения до низких температур — порядка 0,02 К. Простейшее такое устройство имеет достаточный запас гелия-3, что неспешно перемещается через границу раздела фаз в фазу, богатую гелием-4 с поглощением энергии. В то время, когда запас гелия-3 закончится, устройство не сможет трудиться потом — оно «одноразовое». Как раз таковой метод охлаждения, например, употреблялся в орбитальной обсерватории Planck, в задачу которой входила регистрация анизотропии реликтового излучения (с температурой около 2,7 К) с высоким разрешением посредством 48 болометрических детекторов HFI (High Frequency Instrument), охлаждаемых до 0,1 К. Перед тем, как запас гелия-3 в совокупности охлаждения был исчерпан, «Планк» успел сделать пять снимков неба в микроволновом диапазоне.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№113, март 2012).

Случайные записи:

• Голод нететка!: впогоне закрасотой
• Человек вванне сжидким стеклом идругие видео недели

Гелий-3- экологически чистое термоядерное топливо

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Время понимания: сверхпроводимость

  Электроны несут одноименный заряд и исходя из этого не смогут притягиваться друг к другу конкретно. Но при перемещении первый электрон (целая траектория)…

• Женщины генетически добрее мужчин

  В британской песенке поется о том, что девочки сделаны из сахара и самых вкусных вещей. Как бы смешно это ни звучало, но часть правды в данной песенке…

• Микробойцовка

  Стимулом к проектированию столь малой бойцовки послужил последовательность публикаций в британском издании Aeromodeller прошлых лет. В том месте…

• Как устроен геомагнитный компас животных

  Магнитная стрелка биокомпаса представляет собой протеиновый комплекс с постоянным магнитным моментом. на данный момент в биологии накопилось уже много…