電磁型同位素分離器

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A man stands in front of a C-shaped object twice his size.
鈾-235的提取過程中,與磁鐵分離的阿爾法同位素分離罐。

電磁型同位素分離器 是一種同位素質譜儀,其最初的設計和使用是為了分離鈾的同位素, 由歐內斯特 · 勞倫斯在曼哈頓項目期間根據他早些時候發明的回旋加速器研發而成。 英文名字Calutron來源於加利福尼亞大學的回旋加速器,以紀念它的發明地也就是勞倫斯當年所在的加利福尼亞大學。在美國田納西州橡樹嶺克林頓工程師工程的一個車間, 電磁型同位素分離器用於工業規模的 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譜儀,可以將樣本電離,得到的離子經過電場加速、磁場偏移方向,最終碰撞金屬板,並產生強度可衡量的電流。 由於不同同位素的離子, 電荷相同但質量不同,較重的同位素在磁場方向偏移較小,就導致不同質量的粒子束分別打擊在金屬板的不同位置。同位素的質量可根據磁場強度及同位素 電荷計算得出。第二次世界大戰期間,這一原則被運用於研發電磁型同位素分離器,以通過鈾的不同同位素之間細微的質量差來大量提煉高純度的鈾-235。

二戰後,鈾的濃縮不再使用電磁分離法,而是採用一種更為複雜、高效的氣態擴散法。 雖然二戰結束時,多數曼哈頓計劃期間使用過的電磁型同位素分離器被拆毀,有一些仍得以保存下來,生產天然元素的高純度同位素濃縮樣本並用於軍事、科學和醫療。

起源[編輯]

1938年德國化學家奧托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼發現核裂變莉澤·邁特納奧托·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。 [1] 根據他的原子核液滴模型,他從理論角度分析認為,主要導致熱中子裂變的是鈾-235而不是數量更豐富的鈾-238。[2] 1940年4月,為驗證玻爾的說法,明尼蘇達大學的阿爾弗雷德·尼爾用質譜儀製造出微量的濃縮鈾-235。然後,約翰·鄧寧、阿里斯蒂德·格羅斯 和尤金·布斯驗證得出玻爾的理論分析是正確的。利奧·西拉德和沃爾特·津恩很快又證實每一次核裂變都釋放一個中子,至此,幾乎可以肯定核反應鏈可以發生,原子彈的開發具有理論可行性。因此也有人擔心第一個原子彈計劃會誕生在德國,尤其是那些從納粹德國和其它法西斯國家逃難來的科學家們。[3]

Diagram showing the source, the particle stream being deflected 180°, and it being caught in the collector
圖解 使用電磁型同位素分離器分離鈾的同位素

在英國伯明翰大學、澳洲物理學家馬克‧歐力峰把調查原子彈發生的可行性這一人物分配給兩個難民物理學家,分別是奧托·弗里施和魯道夫·佩爾斯。極具諷刺意味的是,他們由於敵國公民這一身份,被禁止參與雷達這類機密項目。1940年3月的弗里施-佩爾斯備忘錄指出,鈾-235的臨界質量在10kg數量級範圍內,這個數值意味着當時的轟炸機足以載原子彈。隨後,英國莫德委員會一致建議發展原子彈。英國方面還允許美方參與其科研過程,由此,蒂澤德計劃的約翰·考克饒夫為美國科學家簡要介紹了英國的研發進展。他發現,美國該項目比英國的規模小,且較落後。[4]

失望的歐力峰飛到美國與那裏的科學家溝通這項研究,其中 包括加利福尼亞大學伯克利輻射實驗室的歐內斯特 · 勞倫斯。兩人不僅在戰前就見過,還是朋友。勞倫斯被歐力峰的研究想法折服,開始了他對鈾的研究。天然鈾中僅含0.72%鈾-235,因此任何鈾濃縮過程的分離係數都需要高於1250,才能從天然鈾當中提煉出純度高達90%的鈾-235。對此,莫德委員會曾建議氣體擴散法,但在1934年,歐力峰開創性地用了電磁分離,這是尼爾採用的提煉程序。[5]

電磁分離的原理是帶電離子經過磁場偏轉,質量較輕的偏轉方向較大。莫德委員會和後來美國科學研究與開發辦公室的S-1執行委員會對電磁分離不予以考慮,因為儘管質譜儀能夠分離同位素,但由於電荷空間阻制導致產率太低。正離子帶正電荷,互相排斥使離子束分散。基於工作中使用他自己發明的回旋加速器來準確控制帶電粒子束的經驗,勞倫斯懷疑真空倉中的空氣分子會中和離子電量,從而產生聚焦離子束。歐力峰激發了勞倫斯將他的37英寸(94 cm)回旋加速器改裝成一個巨大的質譜儀,以用來分離同位素。[5]

Four men in suits bend over a piece of machinery.
弗蘭克·奧本海默 (右二)和 羅伯特·桑頓 (右一)檢查改進版阿爾法同位素分離器中的4源發射器。

1941年11月24日,37英寸的回旋加速器在伯克利分校被拆除。它的磁鐵被用於建首個電磁型同位素分離器。Calutron這個名字的來源是加利福尼亞大學和回旋加速器的英文名稱。起初,資金由輻射實驗室的資助來源——自然科學進步基金會研究公司提供,5000美金。到了12月,勞倫斯收到了S-1 鈾委員會提供的40萬美金資助。電磁型同位素分離器由帶一條狹縫的盒子狀離子源組成,裏面安裝了熱絲。四氯化鈾經熱絲電離,再通過長2英寸寬0.04英寸(50.8 mm 1.0 mm)的狹縫進入真空倉,接着離子束在磁場中偏轉 180°,得到的濃縮鈾和貧化鈾均進入收集器中。[6][7]

1941年12月2日,電磁型同位素分離器首次使用,幾天後就發生了日本偷襲珍珠港事件,美國被卷進了第二次世界大戰。分離器的首次使用得到了強度5微安 (μA)的鈾離子束。勞倫斯關於真空倉空氣分子影響的預感得以驗證。1942年1月14日,經過9小時運作,最終由50 μA 的離子束提煉出18 μg純度25%的鈾-235,10倍於尼爾的產量。到了2月,技術改進,可釋放1400 μA 離子束。同月,75 μg 純度達30%的濃縮鈾樣本被海運到英國和芝加哥大學冶金實驗室。 [7]

其他研究人員也對電磁同位素分離進行了調查。 在 普林斯頓大學,由亨利·德沃爾夫·史邁斯和羅伯特·威爾遜帶領的團隊研發了一種叫做isotron的同位素分離裝置。藉助速調管,他們能夠用高壓電而不是磁場來進行同位素分離。研究持續到1943年2月,鑑於電磁型同位素分離器提煉效果更好,團隊工作被終止,被派遣做別的研究任務。在康奈爾大學,勞埃德·史密斯帶領的團隊研發了輻射狀磁場分離器,團隊成員有威廉·帕金斯和西奧多·福雷斯特。他們很驚訝得到的離子束比預期更準確,並且還得出了真空倉中的空氣能穩定離子束的結論,和勞倫斯的相似。1942年2月,該團隊和勞倫斯在伯克利分校的團隊合併。[8][9]

研究[編輯]

儘管以上實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。勞倫斯聚集了一些物理學家來解決問題,他們分別是戴維·玻姆、愛德華·康登、唐納德·庫克西、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,英國參與到曼哈頓計劃的團隊加入到這些物理學家的研究團隊中。英國團隊由歐力峰帶領,成員有澳洲物理學家、院士哈里·梅西和埃里克·伯霍普,英國物理學家比如瓊·柯倫和托馬斯·阿利本。[10][11]

Very large building with a strange contraption. Stairs lead up to parts of it.
該XAX發展部在橡樹嶺是用於研究、發展和培訓。

在伯克利分校,勞倫斯有一個大回旋加速器還在修建中,帶有一個184英寸(470 cm)高的磁鐵。這個裝置被改造成了電磁型同位素分離器,並在1942年5月26日第一次開啟。和37英寸的類似,整個分離器在俯瞰角度像個巨大的字母C。操作員坐在C開口的那端,控制溫度、調整電極位置、甚至還能在運作過程中通過氣閘更換組件。新一代更強大的電磁型同位素分離器沒有被用來提煉濃縮鈾,而是做有多個離子源的實驗。這意味着要有更多的收集器,但也能將產量翻倍。[12][13]

問題是,離子束互相衝撞會產生一系列稱為混雜的振盪。於是在1942年9月,能將衝撞最小化的裝置被加了進去,得到了相當好的離子束。羅伯特·奧本海默和斯坦·弗蘭克爾發明了磁場墊片,調整磁場均勻度。這些墊片是大約一米寬的鐵片,固定在真空倉的頂部和底部。墊片的作用是微幅加大磁場強度來幫助聚焦離子束。1943年,墊片的使用研究一直在進行。電磁型同位素分離器的主要專利有: 分離材料的方法和設備(勞倫斯)、磁場墊片(奧本海默和弗蘭克爾)、以及電磁型同位素分離器系統(勞倫斯)。[14]

後來,伯霍普和博姆研究了磁場中放電現象的特徵,也就是現在我們說的玻姆擴散。他們研究磁控制下等離子體性質的論文在戰後針對核聚變的研究中大有用處。其它技術問題較普通,但同樣重要,需要克服。儘管離子束強度很低,但運作幾個小時後仍可融化集電極。因此,水冷卻系統又被設計安裝在集電極和真空倉底部。清理流程的開發可以處理冷凝在真空倉里的」黏糊糊的東西「。一個特別的問題是積垢堵塞狹縫,導致離子束無法聚焦或不能穿過狹縫。[15]

這些化學家不得不想辦法用二氧化鈾生產大量四氯化鈾(UCl 4)(尼爾使用的是溴化鈾)。最初,他們使用氫來把三氧化鈾(UO 3)變成二氧化鈾(UO 2),再和四氯化碳(CCl 4)進行反應,生成四氯化鈾。查爾斯·克勞斯提出了一個更好的大規模生產辦法,其中需要將氧化鈾和四氯化碳在高溫高壓條件下進行反應,得到的產物是五氯化鈾(UCl 5)和光氣(COCl 2)。儘管不像氣體擴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)保持乾燥的手套箱中進行。光氣是一種致命的毒氣,使用時化學家必須戴防毒面具。[16]

電磁分離同位素的研究和開發耗資1960萬美金,其中1800萬(92%)花在了伯克利分校的輻射實驗室。進一步工作由布朗大學約翰·霍普金斯大學和普渡大學以及田納西伊士曼公司進行。1943年,工作重點從研究轉移到開發、工程、培訓工人,目的是操控田納西州橡樹嶺克林頓工程師工程的生產設備。到1944年中,輻射實驗室有將近1200名工作人員。[17]

1946年12月31日曼哈頓項目–電磁項目成本 [18]
基地 成本(1946年美金) 成本(2016 美金) 佔總數的百分比(%)
建設 3.04億美金 37.3億美金 53%
運作 2.4億美金 29.5億美金 41.9%
研究 1964萬美金 2.41億美金 3.4%
設計 663萬美金 8141萬美金 1.2%
銀計劃 248萬美金 3049萬美金 0.4%
總數 5.73億美金 70.3億美金

參考文獻[編輯]

  1. ^ Hewlett & Anderson 1962, pp. 10–12.
  2. ^ Stuewer 1985, pp. 211–214.
  3. ^ Rhodes 1986, pp. 322–325.
  4. ^ Phelps 2010, pp. 281–283.
  5. ^ 5.0 5.1 Hewlett & Anderson 1962, pp. 43–44.
  6. ^ Albright & Hibbs 1991, p. 18.
  7. ^ 7.0 7.1 Hewlett & Anderson 1962, pp. 56–58.
  8. ^ Parkins 2005, pp. 45–46.
  9. ^ Smith, Lloyd P.; Parkins, W. E.; Forrester, A. T. On the Separation of Isotopes in Quantity by Electromagnetic Means. Physical Review. December 1947, 72 (11): 989–1002. Bibcode:1947PhRv...72..989S. doi:10.1103/PhysRev.72.989. 
  10. ^ Gowing 1964, pp. 256–260.
  11. ^ Jones 1985, p. 124.
  12. ^ Parkins 2005, p. 48.
  13. ^ Hewlett & Anderson 1962, pp. 92–93.
  14. ^ US 2847576,「Calutron system」 
  15. ^ Lawrence and his Laboratory. LBL Newsmagazine. Lawrence Berkeley Lab. 1981 [3 September 2007]. (原始內容存檔於8 February 2015). 
  16. ^ Larson 2003, p. 102.
  17. ^ Jones 1985, p. 123.
  18. ^ Manhattan District 1947a, p. 3.5.