北斗原子钟为何这么准

　　【科普小博士】

　　在卫星导航领域，时间是否精准是一项极为关键的技术指标。2017年初，举世瞩目的北斗二号卫星导航系统的26台星载铷原子钟（简称“铷钟”）实现稳定可靠在轨运行，标志着我国已经成为继美国、俄罗斯之后完全自主建立导航定位系统的国家。

　　铷钟是北斗卫星导航定位系统的“心脏”，目前可以实现每3000年仅1秒钟的误差，它的精度决定了导航时间、位置的准确度。那么，是什么让它这样准呢？答案是：铷87（87Rb）。它是卫星导航定位系统核心中的核心，它的丰度，即该种同位素的相对含量，决定了原子钟的精度。

　　87Rb是通过分离铷元素的同位素得来的。目前，我国唯一一台尚在运行的大型同位素电磁分离器装置就是位于中国原子能院的EMIS-170同位素电磁分离器。这台关键的分离器是保障北斗原子钟“精度”的“神器”。它是如何研发成功的呢？

　　我国的电磁分离器从20世纪60年代初开始研制，先后在原子能院建成了5台分离器，共分离了28种元素的131种同位素，曾分离的238U、6Li、7Li等同位素，为我国的“两弹”事业作出了贡献。进入21世纪后，我国正在运行的大型同位素电磁分离器只剩F-3，该分离器于1968年建成投产，已经使用四十多年，多个关键器件老化严重，运行状态不理想，在电磁分离技术方面与国际上尤其是美、俄的差距逐渐增大，同位素丰度、纯度及同位素种类无法满足各方面的需求。

　　2002年，我国提出了发展“北斗二代”星载导航定位系统的要求，并强调自主创新，希望材料全部国产化，因此对铷同位素的需求迫切，需求量也越来越大。在诸多分离同位素的方式中，对于铷，电磁法是唯一可行的方法。因此，为保证高丰度稳定同位素生产的国产化，研制一台新型同位素电磁分离器已经迫在眉睫。

　　于是，在2010年，“同位素电磁分离器综合技术改造”项目被提到议事日程，并于2013年10月取得国家的初步设计批复，建设内容为对原来的F-3电磁分离器进行综合技术改造，提升我国分离器技术能力和工艺水平。

　　不同同位素之间，化学性质是相同的，物理性质是不同的。用电磁法把不同的同位素分开，就是利用其物理性质不同这一特点。而分离的基本过程是将待分离的同位素原料加热汽化，在离子源放电室内和电子发生碰撞电离（即让粒子带电），形成等离子体，通过电极系统引出后，形成具有一定能量和形状的离子束，利用带垫片的主磁铁产生的非均匀横向磁场实现偏转、质量分离和角聚焦，可同时获得同一元素的多种同位素，由接收器进行接收。

　　所以，EMIS-170电磁分离器主要由离子源系统、磁场系统、接收器系统、束流检测系统、供电系统、控制系统、真空系统、水冷系统、化学提纯系统组成，涉及等离子体技术、束流引出技术、束流输运技术、束流探测技术、真空技术、高压技术、计算机辅助控制技术等诸多领域，是多学科交叉的复杂系统。

　　最终，我国EMIS-170同位素电磁分离器2015年9月份改造完成并进行试运行，于2016年9月28日顺利通过国防科工局组织的最终验收。经改造后，EMIS-170同位素电磁分离器的稳定性显著提高，可连续开机超过24小时，对环境因素依赖小，不必像从前要看老天的脸色，遇高温、潮湿天气便不能开机。

　　改造后的EMIS-170同位素电磁分离器，总体技术达到了国际先进水平。自主研发的离子源，具备离子体密度和发射面稳定性高、寿命长的特点。研发的聚焦面自适应的接收器，可以随着磁场的波动自动进行适应性的偏移，保证了同位素的丰度。同时，铷同位素的纯度也在历史上首次达到“999”，即杂质小于1‰。

　　随着现代科技的快速发展，稳定同位素的应用元素种类和应用领域越来越广泛，比如它可以作为一些放射性同位素的辐照靶材；可以用来制作高端精密仪器设备；可以作为核电池的长效能源；可以追踪测量人体微量元素的吸收情况；可以作为示踪剂测出众多污染源的出处……作为特种功能材料，稳定同位素已经或即将成为基础研究、医学治疗、工业技术等许多领域不可或缺的关键材料，相信EMIS-170同位素电磁分离器的应用将越来越多。

　　（作者：张彬 单位：中国原子能院）