一種正電子束流傳輸系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于等離子體物理和加速器物理領域，具體涉及一種正電子束流傳輸系統。
【背景技術】
[0002]正電子是人類發現的第一類反物質。1928-1931年間，英國物理學家P.A.M Dirac預言了正電子的存在，1932年，美國物理學家C.D Anderson在用威爾遜云室研究宇宙射線時發現了正電子徑跡，首次證實了正電子的存在。
[0003]正電子和負電子碰撞時會發生煙沒現象。低能情況下，正負電子的質量轉化為γ光子的能量。高能時，正負電子的煙沒會產生基本粒子。因此正電子在高能物理、實驗室天體物理、材料缺陷探測領域有及其重要的應用。
[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。基于放射源的正電子束流強一般不高于5*106e+/s，由于其能量低、流強低限制了其應用范圍。
[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靶時產生的電子對效應。以斯坦福直線加速器中心(SLAC)的SLC正負電子對撞為例(參考文獻見，SLC Conceptualdesign report)，其正電子的產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，發散角±20°。SLC正電子源的重復頻率可達180Hz，每個脈沖可產生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生了高產額正電子束(文章發表見，Phys Plasmas, 20 (2013) 013111)。產生的脈沖正電子數達到101()?1012，最高能量達到20 MeV，發射度可以和基于直線加速器的正電子源相比。但是這類裝置重復工作頻率很低，通常數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生高能電子，再由這些高能電子轟擊固體革E，產生正電子(文章發表見，Phys Rev Lett, 110,255002 (2013))。由此實驗產生的正電子脈沖寬度在30-50fs左右，正電子能量數十MeV，正電子數在16-1O8個，激光重復頻率可達數十Hz。這兩類正電子源產生的正電子發散角均在±15°量級。
[0008]b)正電子束流傳輸系統
基于放射源的正電子束流傳輸系統僅適用于能量為keV量級正電子，由于其能量低、產額低、應用范圍窄，在此不再贅述。
[0009]基于直線加速器的正電子束流傳輸系統其結構非常復雜，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(參考文獻見，ZER0TH-0RDERDESIGN REPORT FOR THE NEXT LINEAR COLLIDER)。基于直線加速器的正電子束流傳輸系統對正電子俘獲效率高、工作穩定，然而束線復雜的結構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報道。
[0010]綜上所述，各類正電子源均具有發散角大、能散大的缺點，正電子在真空中會迅速發散，嚴重影響了正電子的使用效率和應用范圍，必須通過正電子束流傳輸系統對其束流品質進行優化。如何低成本地實現正電子的傳輸與優化將具有重大意義。
【發明內容】
[0011]本發明要解決的技術問題是提供一種正電子束流傳輸系統。
[0012]本發明的正電子束流傳輸系統，包括正電子源和束流傳輸系統，正電子源由激光驅動固體靶產生，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、瞄準器，激光從激光光源發出，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，瞄準器位于鉭靶后方;束流傳輸系統包括真空管道、螺線圈、二極磁鐵、束流垃圾箱、瞄準器、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，負電子進入束流垃圾箱，正電子通過瞄準器，瞄準器后方的螺線圈將正電子聚焦。
[0013]本發明采用沿束流運動方向平移的方式改變瞄準器的位置，可以對發散角和能散進行調節。改變螺線管的電流可以實現對正電子最終聚焦束斑尺寸的調節。通過改變激光光源的脈沖寬度，即可實現正電子脈沖寬度的調節。因此，本發明的正電子具有能散、脈寬和束斑可調節的特點。
[0014]本發明與在先技術相比，主要有以下幾個方面的優點:
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，做到了對各種飛秒激光光源的普遍適用。
[0015]束流傳輸系統的小型化。本發明的束流傳輸系統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。
[0016]峰值能量可調節。本發明的正電子峰值能量可通過調整束流傳輸系統的參數進行調節，從MeV至數十Me V連續可調。
[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。本發明的正電子源脈寬在數十fs量級，在部分應用領域大大提高了正電子的時間分辨率。
[0018]成本低。基于直線加速器的束流傳輸系統包含微波加速腔、螺線管、二極磁鐵、四極磁鐵等，造價以億為單位，本發明的束流傳輸系統僅使用螺線管和二極磁鐵，成本僅百萬量級。