專利名稱:正電子源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種正電子源。
所述正電子源有大量的應用，尤其在固體物理，材料科學和表面物理領域，在這些領域中，對于許多應用，高的計數率是非常重要的，例如，掃描正電子顯微鏡、根據植入深度或多普勒增寬的壽命測量、以及正電子湮沒誘導俄歇電子譜法(Positron annihilation inducedAuger E1ectron SpectroscopyPAES)。
本發明的其它應用直接使用電子偶素原子(電子偶素指一個電子和一個正電子的束縛狀態)。但是，產生電子偶素也需要大量的正電子。
本發明還可應用于分子化學，以及更具體地，應用于在具有高臨界溫度的超導材料中涉及的處理的確定。
本發明同樣可用于油畫和衣料的老化能力的確定。
而且，因為已知正電子湮沒對電子密度很敏感，所以本發明也可應用于檢測材料中的缺陷。例如，當材料熱膨脹時，可以檢測到這種電子密度的細小變化。因為空穴(也就是晶體材料中晶格中的單個原子缺失造成的空位)的電子密度低，所以很容易檢測到它們。可觀察到10-6(1ppm)量級的空穴原子位置的密度。
因為由缺少正電子的射束分析材料，材料要加熱到很高的溫度。空穴位置也可以在任何溫度下通過機械變形，噴射或者離子植入產生。
可調的正電子束能量是一種獲得薄層或者缺陷非均勻分布樣品結構的深入信息的辦法，它可以得到10％的分辨率。
而且，微電子器件(例如MOS)的氧化物中的電場可用來使正電子在研究界面上發生偏移。
形成0.5納米量級空穴的空穴束可以很容易的通過多普勒增寬和正電子壽命的變化來觀測到。
觀測電子偶素的形成證實了較寬的空穴的存在，也可測定空穴的尺寸(大到20納米)。
對于更大的空穴，正交電子偶素(一種電子偶素的狀態，其中電子和正電子的旋轉反向平行)存活了足夠長時間可以分解為三個光子。這種情況下，光子的角度相關性使得多普勒增寬增加5倍。
請注意本發明所述正電子源還有其它的應用，如-PRS(正電子再發射波譜學)；-PAES(正電子湮沒誘導俄歇電子波譜學)；-REPELS(再次發射的正電子能量損失波譜學)；-LEPD(低能量正電子衍射)；-PIIDS(正電子誘導離子解吸附波譜學)；-PALS(正電子湮沒壽命波譜學)，所述技術在微電子學中極為重要；-VEPLS(可變能量正電子壽命波譜學)；-PAS(正電子湮沒波譜學)。
本發明尤其涉及低能量正電子束的產生，所述的電子束能量小于10兆電子伏特，瞬時強度大于1010個正電子每秒，以及優選地大于1012個正電子每秒。例如，-耦合一個合適的捕獲阱來獲得能量小于10千電子伏特的低能量正電子束。
-與一個合適的捕獲阱相互作用來獲得電子偶素原子。
背景技術：
以高速率(大于1010每秒)產生低能量正電子和電子偶素“原子”對工業應用很有必要，如，當例如使用正電子湮沒波譜學(PositronAnnihilation SpectroscopyPAS)或者其它上述辦法時測量晶體或者有機材料的缺陷。
這些應用主要使用22Na作為正電子束產生源。這些接觸源很適宜用來做實驗室研究。但是它們最大的放射性大約是4×109Bq并且平均壽命只有2.6年。
當然，存在一些放射性很小的生產正電子束的加速器。但是它們大都體積大而且安裝價格昂貴，因為使用的電子能量常常是幾十兆電子伏特，通常為100兆電子伏特。發射的正電子可能需要幾十兆電子伏特的能量。
而且，在工業應用中有用的正電子需要的動能小于產生閥值的能量至少一千倍。按照慣例，很低效率的金屬減速劑(小于0.01)被用來減速正電子。
此外，怎么在被稱為Penning-Malmberg阱的裝置中捕獲正電子束已經為人們熟知。一種改進的裝置稱為Greaves-Surko阱，通過千倍地分割正電子束的散射散射來極大地增加了正電子束的亮度，其有效性量級為1。
Greaves-Surko阱可以從第一點科學公司(First PointScientific Company)購買。它們包含固體氖減速劑，效率接近1％。
這些捕獲阱非常有利于上面提到的應用，并且因為這些阱的出現，這些應用才被廣泛的使用，但是其中的正電子能量必須小于1兆電子伏特。
此外，已知四種技術可以產生正電子。這些技術使用放射性源(22Na)，核反應堆產生的中子流，串列式加速器(用于加速離子)，或者電子加速器。
現在我們來檢查這些技術的缺點。
目前，放射性源產生的正電子受限于圍繞材料的厚度。而且，這種源發射的正電子束的強度只有108e+/s量級，因此經過減速劑后只有106e+/s量級。
利用核反應堆產生的中子流提供了一種獲得短壽命的放射性源的方法。這種放射源能夠產生低能量的正電子。但是，這種技術因為需要核反應堆不能工業化。
一種已有技術的變種由以下部分構成使用一個串列式加速器加速離子射向目標靶，該目標靶變得具有放射性并且發射出低能量的正電子。盡管串列式加速器比傳統的粒子加速器要小，它還是一個大而貴的裝置，它需要防輻射保護和一個維修基礎設施。
大的線性加速器，簡稱為Linacs，通過加速電子射向鎢或者鉭目標靶，也可用于產生正電子。但是這些大的線性加速器是非常龐大和昂貴的裝置，并且沒有足夠多的數量來推動上述的的正電子應用的發展。
讓我們重新考慮已知的相互作用腔，所述腔包含一個能通過和電子束相互作用產生正電子的目標靶。
為了從電子(表示為e-)束產生正電子(表示為e+)，這些電子必須和目標靶材料相互作用。于是電子發射X和γ光子，有時分解為電子對(e+e-)。
因為產生的正電子數量依賴于和目標靶材料相互作用的電子數量，技術領域：
的熟練人員決定使用與大型線性加速器產生的相同強度的電子束。
因為電子束產生的正電子e+數量和目標靶的厚度成正比增長，技術領域：
的熟練人員將傾向于增加目標靶的厚度。
但出現了兩個問題。
第一，X射線以熱能的形式在目標靶上淀積能量。
第二，產生的正電子e+會被目標材料捕獲并且在脫離目標靶前湮滅。這種湮滅可根據兩種作用發生，稱為直接和電子碰撞或形成電子偶素原子。
自然地，技術領域：
的熟練人員將把厚的目標靶和高能加速器聯合使用。
第二個問題對用于粒子物理實驗產生高能正電子e+(大于10兆電子伏特)的系統影響不大，因為高能量的正電子e+不會湮滅，具體說它不會形成電子偶素。而且，工業應用需要的正電子必須是很低的能量，在正電子產生到脫離目標靶的途中形成電子偶素會損耗大量的正電子e+。
相反，第一個問題在高能量時變得很不利。對于給定量的目標材料上淀積的熱量，一個100兆電子伏特的電子束發生器和一個10兆電子伏特的電子束發生器產生相同數量的“有用”正電子——能量小于或等于1兆電子伏特。
舉例說明，首先考慮已有技術，100兆電子伏特的加速器以90°角向1mm×1cm2的目標靶發射電子，其次考慮本發明一個實施例提出的10兆電子伏特的加速器以3°角向50μm×1cm2的目標靶發射電子。淀積相同的熱量在目標靶上，產生相似數量的有用正電子e+，100兆電子伏特的電子束發生器將消耗50千瓦能量，而10兆電子伏特的電子束發生器只消耗10千瓦。相差的40千瓦被浪費了，而且需要接收系統以熱能的形式導出。
為了利用產生的正電子中的大部分，一些大型裝置在目標靶后面使用鎢減速片，可能還結合使用合適的電場，象美國加州的LawrenceLivermore國家實驗室，丹麥奧爾胡斯大學的Ring StorageFacilities學院。但是，這種裝置吸收了大量的正電子，或者說，它限制了射束強度。
發明內容
本發明的目的在于克服上面所述的缺點。
為此，本發明提供了一種正電子源，該正電子源包括產生電子束的裝置和目標靶(28)，其中目標靶包含一個大體平坦的表面，所述目標靶被設計成以預定的入射角在該大體平坦的表面上接收電子束，其中該預定的入射角相對于該大體平坦的表面來計算，以及通過與該電子束相互作用來產生正電子，所述正電子源的特征在于，產生的電子束是連續的或者準連續的，電子能量在10兆電子伏量級，目標靶的厚度小于500μm，以及預定入射角小于10°。
根據本發明的一個正電子源的優選實施例中，目標靶的厚度在10μm到100μm范圍內，預設的入射角在2°到5°的范圍內。
優選地，述產生電子束的裝置產生連續的射束，并且包含電子加速器(20)，所述電子加速器包含一個共軸的空腔，其中電子在與該空腔的軸線垂直的中間平面上穿過該空腔多次。
這種電子加速器被稱為“Rhodotron”(一種已注冊商標)，在下述文獻中有描述
相應于US5107221A的FR2616032A。
在根據本發明的另一優選實例中，本發明還包括正電子和電子之間的分類裝置，其中電子沒有與該目標靶相互作用，所述分類裝置包括-第一磁裝置(26)，其軸線靠近射束的軸線并且穿過該目標靶的平面，這些第一磁裝置(26)被設計用來產生磁場，該磁場使得由該目標靶發射的正電子分散，這些第一磁裝置被放置在距該目標靶的輸入端合適的距離處；-四極磁體(30)，用于聚焦正電子射束，所述四極磁體的軸線和所述第一磁裝置的軸線相同，該四極磁體(30)被放置在該目標靶的輸出端，以及該四極磁體(30)被設計來使正電子射束的截面成圓形，所述正電子射束從電子和該目標靶相互作用區域輸出時是非常平坦的；-第一停止裝置(32)，位于該第一磁裝置(26)的軸線上并且在距該四極磁體(30)的輸出端足夠長的距離處，使得正電子聚焦成具有圓形截面的射束，所述第一停止裝置被設計用來阻止在電子束中沒有與該目標靶相互作用的電子；-第二磁裝置(36)，其沿著與該第一磁裝置相同的軸線，放置在距該第一停止裝置(32)的輸出端合適的距離處，使得產生能夠使正電子會聚的磁場，所述的第一磁裝置和第二磁裝置共同作用來產生能夠防止這些正電子碰到第一停止裝置(32)的磁場。
根據本發明的正電子源的另一優選實施例中，正電子源還包括捕獲裝置，所述的捕獲裝置用于捕獲目標靶產生的正電子。
捕獲裝置包括減速劑和收集正電子的電磁裝置，其中減速劑用來使正電子減速。
這些捕獲裝置可以由Greaves-Surko阱構成，請參考文獻R.Greaves and C.M.Surko，Nucl.Inst.Meth.B192(2002)90.
優選地，根據本發明的正電子源還可以包括-第二停止裝置，例如利用水循環冷卻的石墨墻。該裝置用于阻止電子束中沒有和目標靶相互作用、并且到達了第二磁裝置和捕獲裝置之間區域的電子，防止這些電子到達捕獲裝置。
-引導正電子穿過第二停止裝置射向捕獲阱的裝置。
在閱讀了根據附圖的示例性實施例的詳細描述之后，將更容易理解本發明，其中所述示例性實施例僅僅用于指導，而決非限定性的，在附圖中圖1A和圖1B是根據本發明的正電子源的一個特定實施例的示意圖；以及圖2是使用在圖1的正電子源中的目標靶的示意性剖視圖。
具體實施方式
本發明主要以薄的目標靶和電子束的相互作用為基礎，其中目標靶優選鎢制成，以及電子束以掠入射直接打在該目標靶上。
優選地，目標靶的厚度可在10μm到100μm范圍內變化，例如等于50μm；電子束和目標靶間的角度可以在2°到5°的范圍內，例如等于3°。
本發明是一種通過低能量(10兆電子伏特)電子束產生低能量(小于1兆電子伏特)正電子的方法，其中低能量電子由操作在連續模式下的電子源發射。由于這種特性，電子源可以采用Rhodotron(已注冊商標)——一種小體積低消耗的工業機器(最大10kW射束功率)。
上面提到的兩個問題限制了已知系統生產正電子的生產能力。本發明通過減少淀積在目標靶上的熱量來擴展這些限制。最后，本發明能更高效率的收集生成的e+。
概略的說，在已知系統中，e-以相對目標靶平面90°角發送(或者較大的角度，如45°)。在本發明中，e-以相對目標靶平面的掠入射角發送，通常為是3°。這種獨特的構造和已知系統相比有一些好處。
發明者觀測到對于同樣數量的穿過目標靶的電子，當入射角是3°時，溫度溫度升高小2.5倍；對于相同的等效厚度(直線橫跨距離相同)，在3°時至少生成相同數目的低能e+；當升高相同的溫度，在3°情況下生成的e+數量大約是2倍。
現在，考慮生成的e+的收集效率。
一旦e+產生并從目標靶中提取，它們必須從電子束中分離出來。因為電子束具有很高能量，和收集e+的裝置不匹配。
而且，為了使用正電子e+，它們必須在空間聚集。在已有的系統中，這兩個限制是以大量損耗正電e+作代價獲得的。
再次，使用掠入射(如3°)射束射向薄的目標靶可以高效率的收集正電子e+，把它們從電子e-中分離出來。其中薄目標靶可以是50μm厚(等效厚度為1毫米)。
在掠入射時，電子e-在目標靶上的大面積內展開，而沒有生成的正電子e+聚集在大的區域上。正如從收集系統看到的，我們把正電子e+生成的區域稱為前表面(frontal surface)。
在3°時，對于一個20×20mm2的目標靶，電子e-作用在靶上的前作用域(frontal interaction area)是1×20mm2。在90°角入射時，其前作用域將大20倍。因此，收集系統應該覆蓋大20倍的區域。
在掠入射的結構中，保持了正電子e+的發射角度和正電子能量之間的統計相關性。
具體地，因為要收集的低能量正電子e+的發射角比電子e-高，利用這個角度的分離可以從穿過目標靶的電子束中分離出正電子e+。
現在，我們結合根據本發明的正電子源的一個實施例來介紹這兩個優點。
圖1A是根據本發明的正電子源的實施例的示意圖，說明了一個產生和分離出低能量正電子e+(小于或者等于1兆電子伏特)的系統。
在圖中，該系統沿x軸方向依次包括以下各項-Rhodotron(已注冊商標)20，它用來輸出電子束22。所述電子束沿x’軸向傳播，將用于產生正電子e+。其中x’軸偏離x軸3°；-裝置24，用于成形和導向射束22；-第一磁線圈26，它的軸線和x軸重合；-鎢制薄板28，它的一個表面是電子束22掠入射的入射面。
這個薄板28構成了電子束的目標靶；-四極磁體30，用來將從薄板28出射的正電子聚焦在x軸上；-鎢制圓柱體32，用來阻止穿過薄板28的電子。
-第二磁線圈36，它的軸線和x軸重合；-石墨墻38，用來吸收剩余的電子，它通過水循環40冷卻；-螺線管42，它的軸線和x軸重合，通過鉆子44穿過墻38；所述螺線管也可以由一組和x軸共軸的磁線圈代替；-Greaves-Surko阱46，它配有減速劑48。
真空腔29提供了Rhodotron出射的電子和正電子傳播所在的真空環境。
圖2詳細說明了薄板28的方位，其中e表示了板的厚度。
圖2還定義了另外兩個軸，y軸和z軸，它們和圖1A及圖2中的x軸相互垂直正交。圖1B是圖1A中的實施例沿y軸的頂視圖。
薄板28在xy平面內，電子束的傳播軌跡和薄板成很小的交角α，實施例中為3°的量級。
圖中，箭頭28a表示從目標靶發射的正電子，箭頭28b表示穿過目標靶沒有和它相互作用的電子。
線圈26的內直徑是20cm，線圈內流通80kA的電流。這個線圈在中心產生5.06T的磁場，并可能是有利的超導狀態。
鎢目標靶30的厚度e是50μm。它位于線圈26中心點后面大約20厘米處。它的面積是3cm×3cm，但是只有2cm×2cm的中心部分截取電子。
四極磁體30包括由四個線圈構成的磁極，其中線圈的入射面和x軸相距20cm。這些線圈由100個繞圈組成，其中每個繞圈流通20A的電流。磁體30位于離薄板28邊緣10cm處。
線圈36的內直徑是100cm。這個線圈由1000個繞圈組成，其中每個繞圈流通20A的電流。這個線圈距離薄板28中心90cm。
螺線管42直徑略小于10cm，長100cm。它可以由一組直徑略小于10cm，相互間隔7cm的磁線圈代替。這些線圈每個都由100個繞圈組成，其中每個繞圈流通20A的電流。
螺線管或者導電線圈的作用是生成一個具有相當均勻的低強度磁場的磁力線管，稱為出射管(exit tube)。
這個出射管的后10cm穿過石墨墻38，其中電子e-被石墨墻吸收，而被收集的正電子從出射管通過。
從Rhodotron出射的10兆電子伏特的電子束22的截面是個1mm×20mm的矩形，其中長邊(20cm)和目標靶平面平行。所述電子束的射線軌跡和目標靶平面成3°角。
目標靶被放在超導線圈26的后面，因此從目標靶出射的正電子e+處于一個分歧場中。這種結構使帶有很低能量(幾萬電子伏特)的正電子e+沿x軸正向(前向)傳播。
小于1兆電子伏特的正電子e+優先從大于45°的角度出射，并且被線圈26的磁力線捕獲而偏離x軸。線圈36的直徑比線圈26大3倍，電流小30倍，它形成一個輕微的匯聚場。
線圈36放在線圈26后面1.10米處，它只在離目標靶80cm處才有明顯作用，因此沿著線圈26的磁力線遠離x軸傳播的低能量正電子e+被線圈36的磁力線捕獲，再一次會聚向x軸方向。
這種先遠離再會聚向x軸的軌跡使得低能量正電子e+繞過了鎢制圓柱32。所述鎢制圓柱32直徑2cm，長5cm，位于x軸上離目標靶50cm處。
沒有形成電子對(e+e-)的電子能量在9兆電子伏特到10兆電子伏特之間。因此這些電子不會被線圈26和36的磁力線捕獲。這些電子的軌跡在入射到目標靶前和x軸成3°角，穿過目標靶后近似保持了錐形，其中錐形的軸線和x軸重合，頂角為3°的一半。
線圈26也使得電子束沿x軸旋轉了45°角，但是仍近似在這個錐形中，這點在選擇目標靶方位時必須引起重視。從而，這些電子沿x軸向傳播每增加1米就偏離x軸5cm。
因為電子束的截面是矩形，假如不進行阻擋，10％的電子將和系統產生的正電子混合。但是因為線圈26不使這些電子偏離x軸，它們將被鎢制圓柱阻擋住。
穿過線圈36后，正電子e+被導向磁力線出射管場(這是一個低強度的場)。線圈36和出射墻38間隔1米。
沒被鎢制圓柱體阻擋的電子在圓柱32在出射墻38上的投影范圍外，因此這些電子被墻38阻擋，其中墻38由石墨防護，水循環冷卻。
圖1A中的系統的效率可以用下面的數值來說明。
電子束攜帶10兆電子伏特的能量，強度為5mA，功率為50千瓦。從這50千瓦里面●目標靶產生10W的電子對(e+e-)；●5千瓦被鎢制圓柱阻擋；●100瓦穿過出射管，分布半徑小于4cm；●350瓦穿過出射管，分布在距離x軸4cm到5cm的范圍內；●剩下的(將近44.5瓦)被石墨墻阻擋；而且，按照測量從出射管導出的正電子e+數量除以產生的正電子e+數量的方法計算收集效率，對能量低于1兆電子伏特的正電子e+，收集效率大約是55％；對能量低于60萬電子伏特的正電子e+，收集效率大約是60％。
這個系統闡明了薄的目標靶在掠入射結構下的優點，因為它保持了正電子e+的發射角和能量的相關性。沒有這種相關性，分離不可能實現。
而且，在這個結構中，有可能使用小截面的射束(1mm×20mm)，否則發射的正電子e+過于分散，在出射端不能被高效的收集。
正電子的整個軌跡都在真空腔里面，其中的剩余壓力很小，優選值小于100帕斯卡。因為在大氣壓下(105帕斯卡)，將損耗65％的正電子e+，該計算考慮了散射的影響。在102帕斯卡量級的剩余壓力下，損耗小于千分之一。
權利要求
1.正電子源，該正電子源包括電子束產生裝置(20)和包含大體平坦的表面的目標靶(28)，該目標靶被設計成以預定的入射角在該大體平坦的表面上接收電子束，以及通過與該電子束相互作用來產生正電子，其中該預定的入射角是相對于該大體平坦表面計算的，該正電子源的特征在于產生的電子束是連續的或者準連續的，電子能量在10兆電子伏的量級，該目標靶的厚度小于500μm，以及該預定的入射角小于10°。
2.根據權利要求
1的正電子源，其中，所述目標靶(28)的厚度在10μm到100μm范圍內，以及所述預定的入射角在20到50的范圍內。
3.根據權利要求
1或者2的正電子源，其中，所述電子束產生裝置產生連續的射束，并且包含電子加速器(20)，所述電子加速器包含一個共軸的空腔，其中在與該空腔的軸線垂直的中間平面上，電子多次穿過該空腔。
4.根據權利要求
1到3中任意一項的正電子源，還包括正電子和電子之間的分類裝置，其中電子沒有與該目標靶相互作用，所述分類裝置包括第一磁裝置(26)，其軸線靠近射束的軸線并且穿過該目標靶的平面，這些第一磁裝置(26)被設計用來產生磁場，該磁場使得由該目標靶發射的正電子分散，這些第一磁裝置被放置在距該目標靶的輸入端合適的距離處；四極磁體(30)，用于聚焦正電子射束，所述四極磁體的軸線和所述第一磁裝置的軸線相同，該四極磁體(30)被放置在該目標靶的輸出端，以及該四極磁體(30)被設計來使正電子射束的截面成圓形，所述正電子射束從電子和該目標靶相互作用區域輸出時是非常平坦的；第一停止裝置(32)，位于該第一磁裝置(26)的軸線上并且在距該四極磁體(30)的輸出端足夠長的距離處，使得正電子聚焦成具有圓形截面的射束，所述第一停止裝置被設計用來阻止在電子束中沒有與該目標靶相互作用的電子；第二磁裝置(36)，其沿著與該第一磁裝置相同的軸線，放置在該第一停止裝置(32)的輸出端距離該第一磁裝置合適的距離處，使得產生能夠使正電子會聚的磁場，所述的第一磁裝置和第二磁裝置共同作用來產生能夠防止這些正電子碰到第一停止裝置(32)的磁場。
5.根據權利要求
1到4中任意一項的正電子源，還包括捕獲裝置(46)，用于捕獲該目標靶產生的正電子；導向裝置(42)，用來引導這些正電子射向這些捕獲裝置。
6.根據權利要求
5的正電子源，其中，所述捕獲裝置(46)包括Greaves-Surko阱。
7.根據權利要求
4和權利要求
5～6中任意一項的正電子源，還包括第二停止裝置(38)，用于阻止電子束中沒有與該目標靶相互作用的并且到達所述第二磁裝置和所述捕獲裝置之間區域的電子，以及阻止這些電子到達這些捕獲裝置；以及導向裝置(42)，用來引導正電子穿過這些第二停止裝置而射向所述捕獲裝置。
專利摘要
本發明涉及一種正電子源，其尤其應用于固體物理中。本創造性的正電子源包括一個薄的目標靶(28)，該薄的目標靶(28)接收掠入射的、連續的或準連續的、大約10兆電子伏特的電子束(22)，并且借助于與所述電子束的相互作用而產生正電子。
文檔編號G21K1/00GKCN1759453SQ200480006672
公開日2006年4月12日 申請日期2004年3月9日
發明者帕特里斯·佩雷, 安德烈·羅索斯凱 申請人:原子能委員會導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan