一種正電子束流傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于等離子體物理和加速器物理領(lǐng)域，具體涉及一種正電子束流傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]正電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一類反物質(zhì)。1928-1931年間，英國物理學(xué)家P.A.M Dirac預(yù)言了正電子的存在，1932年，美國物理學(xué)家C.D Anderson在用威爾遜云室研究宇宙射線時發(fā)現(xiàn)了正電子徑跡，首次證實了正電子的存在。
[0003]正電子和負(fù)電子碰撞時會發(fā)生煙沒現(xiàn)象。低能情況下，正負(fù)電子的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為γ光子的能量。高能時，正負(fù)電子的煙沒會產(chǎn)生基本粒子。因此正電子在高能物理、實驗室天體物理、材料缺陷探測領(lǐng)域有及其重要的應(yīng)用。
[0004]a)正電子源
正電子源主要分為三類:(I)基于放射源的正電子源；(2)基于電子直線加速器的正電子源；(3)基于激光等離子的正電子源。
[0005]基于放射源的正電子源，常用的放射源有22Na、58Co、64Cu等，這些放射源的半衰期較短，正電子源在使用一段時間后流強會有比較明顯的下降，且此類正電子源發(fā)射出的正電子為切立體角均勻分布，對正電子的利用效率極低。1988年，德國慕尼黑大學(xué)建立了世界上第一臺基于放射源的慢正電子脈沖裝置，該裝置的時間分辨率約為225ps，正電子的能量范圍在l-28keV之間?；诜派湓吹恼娮邮鲝娨话悴桓哂?*106e+/s，由于其能量低、流強低限制了其應(yīng)用范圍。
[0006]基于電子直線加速器的正電子源來自高能電子轟擊高Z靶時產(chǎn)生的電子對效應(yīng)。以斯坦福直線加速器中心(SLAC)的SLC正負(fù)電子對撞為例(參考文獻見，SLC Conceptualdesign report)，其正電子的產(chǎn)生來自高能電子束轟擊厘米量級厚度的固體革E(鉭革E或者鉭、錸合金靶)，正電子能量主要分布在2-20MeV，發(fā)散角±20°。SLC正電子源的重復(fù)頻率可達180Hz，每個脈沖可產(chǎn)生101()個正電子。基于直線加速器的正電子源造價昂貴，此類裝置僅見于大型國家實驗室，不具有普遍適用性。
[0007]基于激光等離子的正電子源有兩類，第一類是激光與固體靶相互作用的正電子源，第二類是激光等離子體尾場加速正電子源。第一類正電子源由美國LLNL的研究人員，首先進行了實驗驗證。在Ti tan激光裝置及OMEGA EP激光裝置上，研究人員利用激光和固體靶作用產(chǎn)生了高產(chǎn)額正電子束(文章發(fā)表見，Phys Plasmas, 20 (2013) 013111)。產(chǎn)生的脈沖正電子數(shù)達到101()?1012，最高能量達到20 MeV，發(fā)射度可以和基于直線加速器的正電子源相比。但是這類裝置重復(fù)工作頻率很低，通常數(shù)小時才能進行一次實驗，不能滿足高頻率工作的需要。第二類正電子源是由激光與氣體靶相互作用產(chǎn)生高能電子，再由這些高能電子轟擊固體革E，產(chǎn)生正電子(文章發(fā)表見，Phys Rev Lett, 110,255002 (2013))。由此實驗產(chǎn)生的正電子脈沖寬度在30-50fs左右，正電子能量數(shù)十MeV，正電子數(shù)在16-1O8個，激光重復(fù)頻率可達數(shù)十Hz。這兩類正電子源產(chǎn)生的正電子發(fā)散角均在±15°量級。
[0008]b)正電子束流傳輸系統(tǒng)
基于放射源的正電子束流傳輸系統(tǒng)僅適用于能量為keV量級正電子，由于其能量低、產(chǎn)額低、應(yīng)用范圍窄，在此不再贅述。
[0009]基于直線加速器的正電子束流傳輸系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包含微波加速腔、絕熱匹配裝置、螺線管、二極磁鐵、四極磁鐵以及多種束流測量系統(tǒng)(參考文獻見，ZER0TH-0RDERDESIGN REPORT FOR THE NEXT LINEAR COLLIDER)?；谥本€加速器的正電子束流傳輸系統(tǒng)對正電子俘獲效率高、工作穩(wěn)定，然而束線復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定了其造價在十億至百億人民幣，甚至更高！
基于激光等離子體的正電子束線目前還沒有相關(guān)報道。
[0010]綜上所述，各類正電子源均具有發(fā)散角大、能散大的缺點，正電子在真空中會迅速發(fā)散，嚴(yán)重影響了正電子的使用效率和應(yīng)用范圍，必須通過正電子束流傳輸系統(tǒng)對其束流品質(zhì)進行優(yōu)化。如何低成本地實現(xiàn)正電子的傳輸與優(yōu)化將具有重大意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種正電子束流傳輸系統(tǒng)。
[0012]本發(fā)明的正電子束流傳輸系統(tǒng)，包括正電子源和束流傳輸系統(tǒng)，正電子源由激光驅(qū)動固體靶產(chǎn)生，包括激光光源、真空靶室、平面反射鏡、離軸拋物面反射聚焦鏡、氣體靶組件、鉭靶、瞄準(zhǔn)器，激光從激光光源發(fā)出，進入真空靶室，再由平面反射鏡反射到離軸拋物面反射聚焦鏡上，激光被聚焦在氣體靶組件上方，鉭靶位于氣體靶組件后方，瞄準(zhǔn)器位于鉭靶后方;束流傳輸系統(tǒng)包括真空管道、螺線圈、二極磁鐵、束流垃圾箱、瞄準(zhǔn)器、螺線圈，正電子和電子一起進入真空靶室外的真空管道，并被螺線圈聚焦，隨后通過二極磁鐵，負(fù)電子進入束流垃圾箱，正電子通過瞄準(zhǔn)器，瞄準(zhǔn)器后方的螺線圈將正電子聚焦。
[0013]本發(fā)明采用沿束流運動方向平移的方式改變瞄準(zhǔn)器的位置，可以對發(fā)散角和能散進行調(diào)節(jié)。改變螺線管的電流可以實現(xiàn)對正電子最終聚焦束斑尺寸的調(diào)節(jié)。通過改變激光光源的脈沖寬度，即可實現(xiàn)正電子脈沖寬度的調(diào)節(jié)。因此，本發(fā)明的正電子具有能散、脈寬和束斑可調(diào)節(jié)的特點。
[0014]本發(fā)明與在先技術(shù)相比，主要有以下幾個方面的優(yōu)點:
有普遍適用性即普適性。適用于各類波長的飛秒激光器。此外本發(fā)明的聚焦為離軸拋物面反射鏡聚焦，這種聚焦方式與激光波長無關(guān)，做到了對各種飛秒激光光源的普遍適用。
[0015]束流傳輸系統(tǒng)的小型化。本發(fā)明的束流傳輸系統(tǒng)僅由兩個螺線管和一個二極磁鐵組成，尺寸遠小于基于直線加速器的束流傳輸系統(tǒng)。
[0016]峰值能量可調(diào)節(jié)。本發(fā)明的正電子峰值能量可通過調(diào)整束流傳輸系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，從MeV至數(shù)十Me V連續(xù)可調(diào)。
[0017]脈沖短。目前世界上的正電子源無論是放射性同位素的β+衰變還是基于電子直線加速器的正電子源，其正電子脈沖寬度均在百PS量級。本發(fā)明的正電子源脈寬在數(shù)十fs量級，在部分應(yīng)用領(lǐng)域大大提高了正電子的時間分辨率。
[0018]成本低?；谥本€加速器的束流傳輸系統(tǒng)包含微波加速腔、螺線管、二極磁鐵、四極磁鐵等，造價以億為單位，本發(fā)明的束流傳輸系統(tǒng)僅使用螺線管和二極磁鐵，成本僅百萬量級。