CN105555008A

CN105555008A - 一种正电子束流传输系统

Info

Publication number: CN105555008A
Application number: CN201510872828.0A
Authority: CN
Inventors: 谷渝秋; 陈佳; 吴玉迟; 董克攻; 朱斌; 谭放; 张天奎; 王少义; 闫永宏; 于明海
Original assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2016-05-04

Abstract

本发明提供了一种正电子束流传输系统,系统中的激光从激光光源发出，进入真空靶室，再由平面反射镜反射到离轴抛物面反射聚焦镜上，激光被聚焦在气体靶组件上方2mm处，钽靶位于气体靶组件后方，瞄准器位于钽靶后方；束流传输系统包括真空管道、螺线圈、二极磁铁、束流垃圾箱、瞄准器、螺线圈，正电子和电子一起进入真空靶室外的真空管道，并被螺线圈聚焦，随后通过二极磁铁，负电子进入束流垃圾箱，正电子通过瞄准器，最后正电子被瞄准器后方的螺线圈将正电子聚焦。

Description

一种正电子束流传输系统

技术领域

本发明属于等离子体物理和加速器物理领域，具体涉及一种正电子束流传输系统。

背景技术

正电子是人类发现的第一类反物质。1928-1931年间，英国物理学家P.A.MDirac预言了正电子的存在，1932年，美国物理学家C.DAnderson在用威尔逊云室研究宇宙射线时发现了正电子径迹，首次证实了正电子的存在。

正电子和负电子碰撞时会发生湮没现象。低能情况下，正负电子的质量转化为γ光子的能量。高能时，正负电子的湮没会产生基本粒子。因此正电子在高能物理、实验室天体物理、材料缺陷探测领域有及其重要的应用。

a)正电子源

正电子源主要分为三类：（1）基于放射源的正电子源；（2）基于电子直线加速器的正电子源；（3）基于激光等离子的正电子源。

基于放射源的正电子源，常用的放射源有²²Na、⁵⁸Co、⁶⁴Cu等，这些放射源的半衰期较短，正电子源在使用一段时间后流强会有比较明显的下降，且此类正电子源发射出的正电子为4π立体角均匀分布，对正电子的利用效率极低。1988年，德国慕尼黑大学建立了世界上第一台基于放射源的慢正电子脉冲装置，该装置的时间分辨率约为225ps，正电子的能量范围在1-28keV之间。基于放射源的正电子束流强一般不高于5*10⁶e+/s,由于其能量低、流强低限制了其应用范围。

基于电子直线加速器的正电子源来自高能电子轰击高Z靶时产生的电子对效应。以斯坦福直线加速器中心（SLAC）的SLC正负电子对撞为例（参考文献见，SLCConceptualdesignreport），其正电子的产生来自高能电子束轰击厘米量级厚度的固体靶（钽靶或者钽、铼合金靶），正电子能量主要分布在2-20MeV，发散角±20?。SLC正电子源的重复频率可达180Hz，每个脉冲可产生10¹⁰个正电子。基于直线加速器的正电子源造价昂贵，此类装置仅见于大型国家实验室，不具有普遍适用性。

基于激光等离子的正电子源有两类，第一类是激光与固体靶相互作用的正电子源，第二类是激光等离子体尾场加速正电子源。第一类正电子源由美国LLNL的研究人员，首先进行了实验验证。在Titan激光装置及OMEGAEP激光装置上，研究人员利用激光和固体靶作用产生了高产额正电子束（文章发表见，PhysPlasmas,20(2013)013111）。产生的脉冲正电子数达到10¹⁰～10¹²，最高能量达到20MeV，发射度可以和基于直线加速器的正电子源相比。但是这类装置重复工作频率很低，通常数小时才能进行一次实验，不能满足高频率工作的需要。第二类正电子源是由激光与气体靶相互作用产生高能电子，再由这些高能电子轰击固体靶，产生正电子（文章发表见，PhysRevLett,110，255002(2013)）。由此实验产生的正电子脉冲宽度在30-50fs左右，正电子能量数十MeV，正电子数在10⁶-10⁸个，激光重复频率可达数十Hz。这两类正电子源产生的正电子发散角均在±15?量级。

b)正电子束流传输系统

基于放射源的正电子束流传输系统仅适用于能量为keV量级正电子，由于其能量低、产额低、应用范围窄，在此不再赘述。

基于直线加速器的正电子束流传输系统其结构非常复杂，包含微波加速腔、绝热匹配装置、螺线管、二极磁铁、四极磁铁以及多种束流测量系统（参考文献见，ZEROTH-ORDERDESIGNREPORTFORTHENEXTLINEARCOLLIDER）。基于直线加速器的正电子束流传输系统对正电子俘获效率高、工作稳定，然而束线复杂的结构决定了其造价在十亿至百亿人民币，甚至更高！

基于激光等离子体的正电子束线目前还没有相关报道。

综上所述，各类正电子源均具有发散角大、能散大的缺点，正电子在真空中会迅速发散，严重影响了正电子的使用效率和应用范围，必须通过正电子束流传输系统对其束流品质进行优化。如何低成本地实现正电子的传输与优化将具有重大意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种正电子束流传输系统。

本发明的正电子束流传输系统，包括正电子源和束流传输系统，正电子源由激光驱动固体靶产生，包括激光光源、真空靶室、平面反射镜、离轴抛物面反射聚焦镜、气体靶组件、钽靶、瞄准器，激光从激光光源发出，进入真空靶室，再由平面反射镜反射到离轴抛物面反射聚焦镜上，激光被聚焦在气体靶组件上方，钽靶位于气体靶组件后方，瞄准器位于钽靶后方；束流传输系统包括真空管道、螺线圈、二极磁铁、束流垃圾箱、瞄准器、螺线圈，正电子和电子一起进入真空靶室外的真空管道，并被螺线圈聚焦，随后通过二极磁铁，负电子进入束流垃圾箱，正电子通过瞄准器，瞄准器后方的螺线圈将正电子聚焦。

本发明采用沿束流运动方向平移的方式改变瞄准器的位置，可以对发散角和能散进行调节。改变螺线管的电流可以实现对正电子最终聚焦束斑尺寸的调节。通过改变激光光源的脉冲宽度，即可实现正电子脉冲宽度的调节。因此，本发明的正电子具有能散、脉宽和束斑可调节的特点。

本发明与在先技术相比，主要有以下几个方面的优点：

有普遍适用性即普适性。适用于各类波长的飞秒激光器。此外本发明的聚焦为离轴抛物面反射镜聚焦，这种聚焦方式与激光波长无关，做到了对各种飞秒激光光源的普遍适用。

束流传输系统的小型化。本发明的束流传输系统仅由两个螺线管和一个二极磁铁组成，尺寸远小于基于直线加速器的束流传输系统。

峰值能量可调节。本发明的正电子峰值能量可通过调整束流传输系统的参数进行调节，从MeV至数十MeV连续可调。

脉冲短。目前世界上的正电子源无论是放射性同位素的β+衰变还是基于电子直线加速器的正电子源，其正电子脉冲宽度均在百ps量级。本发明的正电子源脉宽在数十fs量级，在部分应用领域大大提高了正电子的时间分辨率。

成本低。基于直线加速器的束流传输系统包含微波加速腔、螺线管、二极磁铁、四极磁铁等，造价以亿为单位，本发明的束流传输系统仅使用螺线管和二极磁铁，成本仅百万量级。

附图说明

图1为本发明的正电子源及传输系统的结构示意图；

图中：1.激光光源2.真空靶室3.平面反射镜4.离轴抛物面反射聚焦镜5.气体靶组件6.钽靶7.瞄准器801.真空管道802.螺线圈803.二极磁铁804.束流垃圾箱805.瞄准器806.螺线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。

本发明的正电子束流传输系统，包括正电子源和束流传输系统。

本发明中的正电子源即激光等离子体正电子源，包括激光光源、真空靶室、平面反射镜、离轴抛物面反射聚焦镜、气体靶组件、钽靶、瞄准器。激光从激光光源发出，进入真空靶室，再由平面反射镜反射到离轴抛物面反射聚焦镜上，激光被聚焦在气体靶组件上方2mm处，钽靶位于气体靶组件后方，瞄准器位于钽靶后方。

束流传输系统包括真空管道、螺线圈、二极磁铁、束流垃圾箱、瞄准器、螺线圈，正电子和电子一起进入真空靶室外的真空管道，并被螺线圈聚焦，随后通过二极磁铁，电子进入束流垃圾箱，正电子通过瞄准器，最后正电子被瞄准器后方的螺线圈将正电子聚焦。

所述正电子源置于真空靶室内，平面反射镜位于激光光路中心，并与激光入射方向呈一定夹角，离轴抛物面反射聚焦镜接收通过平面反射镜出射的激光，气体靶组件位于离轴抛物面反射聚焦镜的焦点下方2mm位置，钽靶在气体靶后方，瞄准器位于钽靶后方，钽靶和瞄准器的几何中心均垂直于离轴抛物面反射聚焦镜反射的激光光路中心。

所述束流传输系统位于真空靶室外，正电子与电子在真空管道中传输，第一个螺线管内径稍大于真空管道外径，二极磁铁在第一个螺线管后方将正负电子分离，负电子随后被废弃掉，正电子通过瞄准器选择能量，正电子在真空管道中继续传输并被第二个螺线管聚焦到设计的束斑尺寸。

如图1所示，激光光源1是飞秒激光，其光束参数是：波长800nm，脉宽50fs，单次脉冲能量2J，光束直径150mm。其输出的激光脉冲进入真空靶室2后被平面反射镜3反射到离轴抛物面反射聚焦镜4上，激光被聚焦到气体靶组件5的上方2mm处。其中反射镜3的直径为200mm，离轴抛物面反射聚焦镜4的口径为200mm，焦距为1.4m，被聚焦后的激光焦斑直径小于30μm。气体靶组件喷出的稀薄气体在主激光到来之前已被激光光源1的预脉冲电离，聚焦后的激光与电离后的稀薄气体产生激光等离子体相互作用，从而将背景电子加速。通过调整气体喷速，改变等离子体的密度，实现对电子束能量和电量的适度调节。

产生正电子的转换体为钽靶6，其厚度在7mm左右，电子轰击钽靶的过程中，高能电子急剧减速产生高能轫致辐射—γ光子。γ光子与物质的相互作用有：光电效应、康普顿效应和电子对效应。光电效应和康普顿效应的截面随γ光子能量的增大而减少，并与物质的原子序数有正比关系。当γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转化为一个正电子和一个电子，这种过程称为电子对效应。电子对效应截面与光子能量和原子序数的平方有近似线性增加关系。因此，当激光尾场加速的电子能量越高，固体靶材料原子序数越大时，γ光子与物质的相互作用主要表现为电子对效应。电子和正电子会受到钽靶6内原子核的多次库仑散射作用，发散角迅速增大，降低束流传输效率。由于能量偏小的正电子发射方向较大的特点，在钽靶后方加入瞄准器7，将发散角过大、能量低的正电子从正负电子束团中分离开来。经过瞄准器后的正电子与透射出钽靶的电子束一起进入束流传输系统。束流传输系统的前端加入螺线管802，螺线管产生的磁场使得正负电子作螺旋状运动从而约束粒子的包络，螺线管的长度为0.5m，磁场强度0.5T。随后电子与正电子被二极磁铁803分离，二极磁铁的长度1m，磁场强度0.2T。电子进入束流垃圾箱804。通过二极磁铁803后不同能量的正电子被分离开来，通过改变瞄准器805的纵向位置可以实现能散的优化，经过瞄准器后正电子进入螺线圈806，螺线管长度0.5m，磁场强度0.85T。最终正电子在螺线管出口外0.32m处，被聚焦为半径5mm左右的圆形束斑。

Claims

1.一种正电子束流传输系统，其特征在于：所述的包括正电子源和束流传输系统，正电子源由激光驱动固体靶产生，包括激光光源（1）、真空靶室（2）、平面反射镜（3）、离轴抛物面反射聚焦镜（4）、气体靶组件（5）、钽靶（6）、瞄准器（7），激光从激光光源（1）发出，进入真空靶室（2），再由平面反射镜（3）反射到离轴抛物面反射聚焦镜（4）上，激光被聚焦在气体靶组件（5）上方，钽靶（6）位于气体靶组件（5）后方，瞄准器（7）位于钽靶（6）后方；束流传输系统包括真空管道（801）、螺线圈（802）、二极磁铁（803）、束流垃圾箱（804）、瞄准器（805）、螺线圈（806），正电子和电子一起进入真空靶室（2）外的真空管道（801），并被螺线圈（802）聚焦，随后通过二极磁铁（803），负电子进入束流垃圾箱（804），正电子通过瞄准器（805），瞄准器（805）后方的螺线圈（806）将正电子聚焦。