Гелій-3 на службі людині | Журнал Популярна Механіка

1. Магнітно-резонансна томографія
2. Як намагнітити гелій-3
3. магнітний газ
4. дихайте глибше
5. маленьке перешкода
6. Спадщина холодної війни
7. охолодження змішуванням

Цей ізотоп планується видобувати на Місяці для потреб термоядерної енергетики. Однак це справа далекого майбутнього. Проте гелій-3 надзвичайно затребуваний вже сьогодні - зокрема, в медицині.

Загальна кількість гелію-3 в атмосфері Землі оцінюється всього лише в 35 000 т. Його надходження з мантії в атмосферу (через вулкани і розломи в корі) складає кілька кілограмів на рік. У місячному реголіті гелій-3 поступово накопичувався протягом сотень мільйонів років опромінення сонячним вітром. В результаті тонна місячного грунту містить 0,01 г гелію-3 і 28 г гелію-4; це ізотопне співвідношення (~ 0,04%) значно вище, ніж в земній атмосфері.

Амбітні плани видобутку гелію-3 на Місяці, на повному серйозі розглядаються не тільки космічними лідерами (Росія і США), а й новачками (Китай і Індія), пов'язані з надіями, які покладають на цей ізотоп енергетики. Ядерна реакція 3Не + D → 4Не + p має ряд переваг в порівнянні з найбільш досяжною в земних умовах дейтериево-тритиевой реакцією T + D → 4Не + n.

До цих переваг відноситься в десятки разів нижчий потік нейтронів із зони реакції, що різко зменшує наведену радіоактивність і деградацію конструкційних матеріалів реактора. Крім того, один з продуктів реакції - протони - на відміну від нейтронів, легко вловлюються і можуть бути використані для додаткової генерації електроенергії. При цьому і гелій-3, і дейтерій неактивні, їх зберігання не вимагає особливих запобіжних заходів, а при аварії реактора з розгерметизацією активної зони радіоактивність викиду близька до нуля. Є у гелій-дейтерієвої реакції і серйозний недолік - значно більш високий температурний поріг (для початку реакції потрібна температура близько мільярда градусів).

Хоча все це справа майбутнього, гелій-3 надзвичайно затребуваний і зараз. Правда, не для енергетики, а для ядерної фізики, кріогенної промисловості та медицини.

Магнітно-резонансна томографія

З моменту своєї появи в медицині магнітно-резонансна томографія (МРТ) стала одним з основних діагностичних методів, що дозволяють без будь-якої шкоди заглянути «всередину» різних органів.

Приблизно 70% маси людського тіла припадає на водень, ядро ​​якого, протон, володіє певним спіном і пов'язаним з ним магнітним моментом. Якщо помістити протон у зовнішнє постійне магнітне поле, спин і магнітний момент орієнтуються або уздовж поля, або назустріч, причому енергія протона в першому випадку буде менше, ніж у другому. Протон можна перевести з першого стану в друге, передавши йому строго певну енергію, що дорівнює різниці між цими енергетичними рівнями, - наприклад, опромінюючи його квантами електромагнітного поля з певною частотою.

Як намагнітити гелій-3

Найпростішим і самим прямим способом намагнітити гелій-3 є його охолодження в сильному магнітному полі. Однак ефективність цього методу досить низька, до того ж він вимагає сильних магнітних полів і низьких температур. Тому на практиці застосовують метод оптичного накачування - передачі атомам гелію спина від поляризованих фотонів накачування. У випадку з гелієм-3 це відбувається в два етапи - оптичне накачування в метастабільних станів і спіновий обмін між атомами гелію в основному і метастабільних станів. Технічно це реалізується шляхом опромінення лазерним випромінюванням з круговою поляризацією осередки з гелієм-3, перекладеного в метастабільний стан слабким високочастотним електричним розрядом, в присутності слабкого магнітного поля. Поляризований гелій можна зберігати в посудині з внутрішнім покриттям з цезію при тиску 10 атмосфер протягом близько 100 годин.

Саме так і влаштований МР-томограф, тільки виявляє він не окремі протони. Якщо помістити зразок, який містить велику кількість протонів в потужне магнітне поле, то кількості протонів з магнітним моментом, спрямованим уздовж і назустріч полю, виявляться приблизно рівними. Якщо почати опромінювати цей зразок електромагнітним випромінюванням строго певної частоти, всі протони з магнітним моментом (і спіном) «уздовж поля» перекинуться, зайнявши становище «назустріч полю». При цьому відбувається резонансне поглинання енергії, а під час процесу повернення до вихідного стану, званому релаксацією, - переизлучение отриманої енергії, яке можна виявити. Це явище і називається ядерним магнітним резонансом, ЯМР. Середня поляризація речовини, від якої залежить корисний сигнал при ЯМР, прямо пропорційна напруженості зовнішнього магнітного поля. Щоб отримати сигнал, який можна виявити і відокремити від шумів, потрібно надпровідний магніт - тільки йому під силу створити магнітне поле з індукцією порядку 1-3 Тл.

магнітний газ

МР-томограф «бачить» скупчення протонів, тому відмінно підходить для вивчення та діагностики м'яких тканин і органів, що містять великі кількості водню (в основному у вигляді води), а також дає можливість розрізняти магнітні властивості молекул. Таким способом можна, скажімо, відрізнити артеріальну кров, що містить гемоглобін (основний переносник кисню в крові), від венозної, що містить парамагнітний дезоксигемоглобін, - саме на цьому заснована фМРТ (функціональна МРТ), що дозволяє відстежувати активність нейронів головного мозку.

Але, на жаль, така чудова методика, як МРТ, абсолютно не пристосована для вивчення заповнених повітрям легенів (навіть якщо наповнити їх воднем, сигнал від газоподібного середовища з низькою щільністю буде дуже слабкий на тлі шумів). Та й м'які тканини легенів не дуже добре видно за допомогою МРТ, оскільки вони «пористі» і містять мало водню.

Чи можна обійти це обмеження? Можна, якщо використовувати «намагнічений» газ - в цьому випадку середня поляризація буде визначатися не зовнішнім полем, тому що все (або майже все) магнітні моменти будуть орієнтовані в одному напрямку. І це зовсім не фантастика: в 1966 році французький фізик Альфред Кастлер отримав Нобелівську премію з формулюванням «За відкриття і розробку оптичних методів дослідження резонансів Герца в атомах». Він займався питаннями оптичної поляризації спінових систем - тобто якраз «намагнічуванням» газів (зокрема, гелію-3) за допомогою оптичного накачування при резонансному поглинанні фотонів з круговою поляризацією.

Ядерний магнітний резонанс використовує магнітні властивості ядер водню - протонів. Без зовнішнього магнітного поля магнітні моменти протонів орієнтовані довільно (як на першому зображенні). При накладенні потужного магнітного поля магнітні моменти протонів орієнтуються паралельно полю - або «уздовж», або «назустріч». Два цих положення мають різну енергію (2). Радіочастотний імпульс з резонансною частотою, що відповідає різниці енергій, «перевертає» магнітні моменти протонів «назустріч» полю (3). Після закінчення радіочастотного імпульсу відбувається зворотний «переворот», і протони випромінюють на резонансній частоті. Цей сигнал приймається радіочастотної системою томографа і використовуються комп'ютером для побудови зображення (4).

дихайте глибше

Піонерами використання поляризованих газів в медицині стала група дослідників з Прінстона і Нью-йоркського університету в Стоні-Брук. У 1994 році вчені опублікували в журналі Nature статтю, в якій вперше було продемонстровано зображення легенів миші, отримане за допомогою МРТ.

Правда, МРТ не зовсім стандартною - методика була заснована на відгук не ядер водню (протонів), а ядер ксенону-129. До того ж газ був не зовсім звичайним, а гіперполярізованним, тобто заздалегідь «намагніченим». Так народився новий метод діагностики, який незабаром почали застосовувати і в людській медицині.

Гіперполярізованний газ (зазвичай в суміші з киснем) потрапляє в найвіддаленіші закутки легких, що дає можливість отримати МРТ-знімок з дозволом на порядок вище кращих рентгенівських знімків. Можна навіть побудувати детальну карту парціального тиску кисню в кожній ділянці легенів і потім зробити висновок про якість кров'яного потоку і дифузії кисню в капілярах. Ця методика дозволяє вивчити характер вентиляції легенів у астматиків і контролювати процес дихання критичних пацієнтів на рівні альвеол.

Як працює МРТ. МР-томограф виявляє скупчення протонів - ядер атомів водню. Тому МР-томографія показує відмінності в змісті водню (в основному води) в різних тканинах. Існують і інші способи відрізняти одну тканину від іншої (скажімо, відмінності в магнітних властивостях), які застосовуються в спеціалізованих дослідженнях.

Переваги МРТ з використанням гіперполярізованних газів цим не обмежуються. Оскільки газ гіперполярізован, рівень корисного сигналу виявляється значно вище (приблизно в 10000 разів). Це означає, що відпадає необхідність в надсильних магнітних полях, і призводить до конструкції так званих слабопольних МР-томографів - вони дешевші, мобільніше і набагато просторіше. У таких установках використовуються електромагніти, що створюють поле порядку 0,005 Тл, що в сотні разів слабкіше стандартних МР-томографів.

маленьке перешкода

Хоча перші експерименти в цій області проводилися з гіперполярізованним ксеноном-129, незабаром його замінив гелій-3. Він нешкідливий, дозволяє отримувати більш чіткі зображення, ніж ксенон-129, має в три рази більший магнітний момент, що обумовлює більш сильний сигнал в ЯМР. Крім того, збагачення ксенону-129 через близькість маси з іншими ізотопами ксенону - дорогий процес, та й досяжна поляризація газу істотно нижче, ніж у гелію-3. До того ж ксенон-129 має седативний ефект.

Але якщо слабопольние томографи прості і дешеві, чому ж метод МРТ з гіперполярізованним гелієм не використовується зараз в кожній поліклініці? Є одна перешкода. Але зате яке!

Спадщина холодної війни

Єдиний спосіб отримання гелію-3 - розпад тритію. Велика частина запасів 3He зобов'язана своїм походженням розпаду тритію, виробленого під час ядерної гонки озброєнь в період холодної війни. У США до 2003 року було накопичено приблизно 260 000 л «сирого» (неочищеного) гелію-3, а до 2010 року залишилося тільки 12000 л незадействованного газу. У зв'язку зі зростанням попиту на цей дефіцитний газ в 2007 році навіть було відновлено виробництво обмежених кількостей тритію, і до 2015 року планується додатково отримувати по 8000 л гелію-3 щорічно. При цьому річний попит на нього вже зараз складає не менше 40 000 л (з них тільки 5% використовується в медицині). У квітні 2010 року американський Комітет з питань науки і технології США зробив висновок, що нестача гелію-3 призведе до реальних негативних наслідків для багатьох областей. Навіть вчені, що працюють в ядерній галузі США, зазнають труднощів з придбанням гелію-3 із запасів держави.

охолодження змішуванням

Ще одна галузь, яка не може обійтися без гелію-3 - це кріогенна промисловість. Для досягнення наднизьких температур застосовується т.зв. рефрижератор розчинення, який використовує ефект розчинення гелію-3 в гелії-4. При температурі нижче 0.87 До суміш розділяється на дві фази - багату гелієм-3 і гелієм-4. Перехід між цими фазами вимагає енергії, і це дає можливість охолодження до дуже низьких температур - до 0,02 К. Найпростіше такий пристрій має достатній запас гелію-3, який поступово переміщається через кордон розділу фаз в фазу, багату гелієм-4 з поглинанням енергії . Коли запас гелію-3 закінчиться, пристрій не зможе працювати далі - воно «одноразове».
Саме такий спосіб охолодження, зокрема, використовувався в орбітальній обсерваторії Planck Європейського космічного агентства. У завдання «Планка» входила реєстрація анізотропії реліктового випромінювання (з температурою близько 2,7 К) з високою роздільною здатністю за допомогою 48 Болометрична детекторів HFI (High Frequency Instrument), охолоджуваних до 0,1 К. До того, як запас гелію-3 в системі охолодження був вичерпаний, «Планк» встиг зробити 5 знімків неба в мікрохвильовому діапазоні.

Аукціонна ціна гелію-3 коливається в районі $ 2000 за літр, причому ніяких тенденцій до зниження не спостерігається. Дефіцит цього газу обумовлений тим, що основна частина гелію-3 використовується для виготовлення нейтронних детекторів, які застосовуються в пристроях для виявлення ядерних матеріалів. Такі детектори реєструють нейтрони по реакції (n, p) - захоплення нейтрона і випускання протона. А щоб засікти спроби завезення ядерних матеріалів, таких детекторів потрібно дуже багато - сотні тисяч штук. Саме з цієї причини гелій-3 став фантастично доріг і малодоступний для масової медицини.

Втім, надії є. Правда, покладаються вони не на місячний гелій-3 (його видобуток залишається віддаленою перспективою), а на тритій, що утворюється в важководяних реакторах типу CANDU, які експлуатуються в Канаді, Аргентині, Румунії, Китаї та Південній Кореї.

Стаття «Добрий доктор гелій-3» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №3, Лютий 2012 ).