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我國(guó)建成國(guó)際先進(jìn)量子放射性計(jì)量實(shí)驗(yàn)室，填補(bǔ)低溫量子磁量熱計(jì)空白

2025-11-11 18:23

昨日，由中國(guó)原子能科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱“原子能院”）主導(dǎo)建設(shè)的量子放射性計(jì)量實(shí)驗(yàn)室與電離輻射計(jì)量級(jí)設(shè)備“一線多用”產(chǎn)研平臺(tái)完成竣工并投入運(yùn)行。

官方釋放出兩層關(guān)鍵信號(hào)：一是我國(guó)量子放射性計(jì)量技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。二是填補(bǔ)國(guó)內(nèi)低溫量子磁量熱計(jì)領(lǐng)域空白。

對(duì)于核能、醫(yī)學(xué)物理、核安保與環(huán)境監(jiān)測(cè)，乃至高端儀器產(chǎn)業(yè)鏈，這是一塊長(zhǎng)期缺位的“計(jì)量拼圖”被補(bǔ)齊的事件。

傳統(tǒng)的輻射計(jì)量像是一把刻度有限的尺子，而量子計(jì)量把測(cè)量對(duì)象“拉到”微觀量子態(tài)，用更靈敏的器件讀取能量變化。

此次實(shí)驗(yàn)室的核心亮點(diǎn)是低溫量子磁量熱計(jì)（MMC, Magnetic Microcalorimeter）：當(dāng)單個(gè) γ 光子被吸收時(shí)，器件溫度產(chǎn)生極微小升高，再以順磁體磁化變化將熱信號(hào)轉(zhuǎn)成可讀電信號(hào)，在毫開(kāi)爾文量級(jí)溫度下實(shí)現(xiàn)百 eV 級(jí)能量分辨率，這比主流 HPGe（高純鍺）體系的分辨率提升顯著，可分清關(guān)鍵核素的譜線。

MMC 的高分辨能力依賴把熱噪聲壓到極低。實(shí)驗(yàn)室配備的稀釋制冷機(jī)空載最低溫度可達(dá) 10 mK（接近絕對(duì)零度），這是放大量子效應(yīng)、穩(wěn)定讀出的必要條件。

國(guó)外公開(kāi)資料顯示，成熟 MMC γ 譜系統(tǒng)已在 60 keV 能段做到 <100 eV 的能量全寬半高（FWHM），最佳樣機(jī)報(bào)告達(dá)到 38 eV；陣列化后仍可在百 eV 左右的分辨率工作。

此次國(guó)內(nèi)平臺(tái)明確把分辨率推進(jìn)到百 eV 量級(jí)并實(shí)現(xiàn)低能 γ 單光子脈沖探測(cè)，意味著在同等測(cè)量時(shí)間里，能更清晰地分辨復(fù)雜樣品中的譜線。

它能做什么？

高分辨 γ 譜可精細(xì)測(cè)定衰變支路、γ 線能量與豐度，降低核數(shù)據(jù)庫(kù)的不確定度，進(jìn)而提升核工程設(shè)計(jì)、反應(yīng)堆物理與放射源溯源的準(zhǔn)確度。陣列化 MMC 的一個(gè)數(shù)量級(jí)分辨率優(yōu)勢(shì)，使其在非破壞分析（NDA）中與 HPGe 形成互補(bǔ)，尤其適于能級(jí)擁擠、峰形重疊的難題樣品。

對(duì)含裂變產(chǎn)物或次錒系元素的復(fù)雜樣品進(jìn)行高保真、快速指認(rèn)，有助于口岸稽核、核材料賬戶化與國(guó)際核查。國(guó)外團(tuán)隊(duì)已用 MMC 陣列對(duì)電解精煉鹽等工藝樣品進(jìn)行短時(shí)測(cè)量并解析出窄峰線，這類能力對(duì)提升核安保技術(shù)尤為關(guān)鍵。

在核醫(yī)學(xué)中，準(zhǔn)確的放射性核素純度與雜質(zhì)核素判讀，直接決定治療劑量學(xué)與質(zhì)量控制。高分辨譜學(xué)能進(jìn)一步壓低“尾隨雜峰”的干擾，提升如 I-131、Lu-177 等醫(yī)用同位素的生產(chǎn)與臨床端質(zhì)量評(píng)估精度。

面對(duì)超痕量、復(fù)合基體樣品（如土壤、粉塵、管線沉積物），高分辨譜學(xué)能在更短時(shí)間里辨別“假峰”“重疊峰”，提升定量下限，配合標(biāo)準(zhǔn)源溯源，縮短退役項(xiàng)目的檢測(cè)周期與成本。

該實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)自研量子磁量熱傳感器芯片與讀出鏈路，疊加“一線多用”產(chǎn)研平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從器件—系統(tǒng)—產(chǎn)線的閉環(huán)。一方面服務(wù)國(guó)家原子能產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心的標(biāo)準(zhǔn)傳遞與校準(zhǔn)，另一方面推動(dòng)低溫量子檢測(cè)器、稀釋制冷、超低噪讀出電子學(xué)等環(huán)節(jié)的國(guó)產(chǎn)化替代與生態(tài)集成。

它意味著什么？

計(jì)量是產(chǎn)業(yè)與科研的底層公約。中國(guó)此前已發(fā)布到 2030 年的計(jì)量行動(dòng)規(guī)劃，把芯片、量子、稀土等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的計(jì)量能力提升列為任務(wù)書。

在產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)“標(biāo)準(zhǔn)化—數(shù)據(jù)化—可信化”的今天，誰(shuí)掌握了更高精度、更快溯源、更強(qiáng)可追溯性的計(jì)量體系。

從技術(shù)譜系看，MMC γ 譜在國(guó)際上已經(jīng)進(jìn)入陣列化與工程化階段，分辨率紀(jì)錄不斷被刷新。此次國(guó)內(nèi)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)低能 γ 單光子脈沖探測(cè)與百 eV 級(jí)分辨率，并把實(shí)驗(yàn)室能力嵌入產(chǎn)研平臺(tái)，意味著國(guó)內(nèi)在量子放射性計(jì)算上具備持續(xù)升級(jí)與轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。

后續(xù)若能在像元規(guī)模、通道并發(fā)、讀出電子學(xué)線性與漂移補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)繼續(xù)迭代，有望把測(cè)量效率與工程可靠性進(jìn)一步提升。

極低溫量子測(cè)量的底層部件：稀釋制冷、磁屏蔽、低噪放大器、超導(dǎo)互連，和量子計(jì)算、凝聚態(tài)物理等前沿方向強(qiáng)相關(guān)。計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施的完備將產(chǎn)生外溢效應(yīng)：一端連著核能安全、核醫(yī)學(xué)質(zhì)量控制與環(huán)境治理，另一端則牽引國(guó)產(chǎn)低溫量子硬件與高端儀器的工程化，對(duì)科研與產(chǎn)業(yè)都形成長(zhǎng)尾增益。

參考資料：

https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_31937841?utm_source=chatgpt.com

https://www.osti.gov/servlets/purl/1769168?utm_source=chatgpt.com

https://www.frontiersin.org/journals/nuclear-engineering/articles/10.3389/fnuen.2025.1654123/full?utm_source=chatgpt.com

https://thequantuminsider.com/2025/06/02/china-sets-2030-metrology-goals-in-push-for-chip-quantum-and-rare-earth-precision/?utm_source=chatgpt.com

https://wulixb.iphy.ac.cn/pdf-content/10.7498/aps.73.20241211.pdf?utm_source=chatgpt.com

量子放射性低溫量子