CN219872901U

CN219872901U - 一种正电子捕获系统

Info

Publication number: CN219872901U
Application number: CN202320614986.6U
Authority: CN
Inventors: 胡理想; 余同普; 曹越
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2023-03-23
Filing date: 2023-03-23
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2033-03-23

Abstract

本申请涉及一种正电子捕获系统。该系统包括：捕获光源和磁场偏转装置；捕获光源用于形成捕获电磁场，使得进入捕获电磁场的带电粒子束的径向坐标和径向动量减小并被限制在捕获区域；捕获光源为左旋圆偏振拉盖尔高斯激光或者矢量偏振光束；捕获电磁场中的径向电场和纵向电场存在π/2的相位差；纵向电场中包括多个交替的纵向加速电场和纵向减速电场；磁场偏转装置设置在捕获区域前方，用于对被捕获的带电粒子束中的正电子和电子进行分离以得到正电子束。

Description

一种正电子捕获系统

技术领域

本申请涉及带电粒子捕获技术领域，特别是涉及一种正电子捕获系统。

背景技术

正电子是电子的反粒子，与电子具有相同的质量和等量异号的电荷。当正电子入射到物质内部后，会与电子发生湮没，放出γ光子。利用正电子湮没技术可以获取物质的内部结构和缺陷信息，在材料机械性能发生改变前探测到微观结构的变化。此外，正电子的产生也为科学家在实验室研究黑洞、γ射线暴等天文现象以及正负电子对等离子体、正电子素和玻色-爱因斯坦凝聚提供了机遇。

目前，实验室常用的正电子源是放射性同位素正电子源和加速器正电子源。放射性同位素正电子源要么半衰期太短，限制了其运输和使用范围；要么源强太低，大大降低了探测效率。基于加速器的正电子源虽然能大幅提高正电子的束流强度，但加速器体积庞大、设备昂贵。

随着激光技术的不断发展，数拍瓦乃至百拍瓦超强激光装置已经或者即将投入使用，激光等离子体相互作用成为产生正电子源的重要方式。激光驱动正电子产生主要基于三种机制：Trident过程、Bethe-Heitler(BH)过程和Breit-Wheeler(BW)过程。Trident过程是指超热电子与靶核碰撞产生一个虚光子，这个虚光子在靶核库仑场作用下产生正负电子对，这个虚光子只起到中间转换作用。BH过程是指超热电子在高原子序数(Z)靶中发生轫致辐射并产生能量达MeV的γ光子。这个高能γ光子与高Z靶核相互作用产生正负电子对。由于需要以极高速度运动的重原子核或超高强度激光的参与，BW过程的研究主要集中在理论方面。Trident过程和BH过程是实验研究的主流方案。

目前，实验产生正电子束的方案可以分为间接方案和直接方案。

在间接方案中，首先通过尾场加速预先产生高品质的电子束，之后产生的高品质电子束与第二级高Z固体靶相互作用就可以产生正电子束。由于尾场加速能得到更高品质的电子束，间接方案产生的正电子束通常具有更高的温度(约28.8MeV),更大的正电子/γ比，更小的发散角。

在直接方案中，激光直接与高Z固体靶作用。当激光产生的热电子与高Z靶相互作用时，通常通过BH过程或Trident过程产生正电子。由于电子密度更高，以及靶背鞘场(target normal sheath acceleration fields)的影响，来自直接方案的正电子束具有更高的产额和更窄的能谱，因而具有独特的优势。由于用于产生正电子的热电子发散角很大，直接方案产生的正电子束通常具有较大的发散角(通常＞30°)，这是直接方案最大的缺点，严重阻碍了其在各方面的应用，亟需合适的捕获方案来收集正电子并对其进行品质优化。

目前在靶后的正电子捕获方案主要为：通量集中器、脉冲螺线管以及等离子体透镜。其中，目前的主流方案为：通量集中器、脉冲螺线管。这两者均是通过特定形状的线圈产生特定结构的磁场来对正电子进行横向约束的，这个方案理论上只能限制正电子的横向运动，无法减小正电子的发散角，更无法做到对捕获的正电子束进行品质优化。此外，由于目前在技术上无法产生稳定且对称的捕获磁场结构，这种方法对正电子的聚焦通常不是径向对称的。等离子体透镜是一种新概念的靶后正电子捕获方案，其相比通量集中器、脉冲螺线管有很多优点，例如，其对正电子的聚焦是径向对称的。但是，提供超高的真空度，以及捕获具有超大发散角的正电子，对于这种新方案来说仍然是巨大的挑战。

综上所述，虽然激光驱动的正电子源相比于传统的方案有诸多优点，但是其发散角过大的问题严重制约了其应用的前景。目前专门用于激光正电子源的捕获方案的研究较少，传统的捕获方案也存在无法减小发散角、聚焦不径向对称等缺点，亟需新型捕获方案的提出。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种正电子捕获系统，以便捕获大发散角正电子。

一种正电子捕获系统，包括：

捕获光源和磁场偏转装置；

捕获光源用于形成捕获电磁场，使得进入捕获电磁场的带电粒子束的径向坐标和径向动量减小并被限制在捕获区域；捕获光源为左旋圆偏振拉盖尔高斯激光或者矢量偏振光束；捕获电磁场中的径向电场和纵向电场存在π/2的相位差；纵向电场中包括多个交替的纵向加速电场和纵向减速电场；

磁场偏转装置设置在捕获区域前方，用于对被捕获的带电粒子束中的正电子和电子进行分离以得到正电子束。

附图说明

图1为正电子产生和捕获系统的示意图；

图2为典型正电子的捕获过程及机制分析；图2(a)为典型正电子所受到的三个径向场分量的演化曲线；图2(b)为正电子的径向动量和纵向动量随时间的演化曲线；图2(c)为正电子的径向坐标和共动坐标随时间的演化曲线；

图2(d)为左旋圆偏振拉盖尔高斯激光脉冲的径向和纵向电场分布；

图3为正电子捕获方案的示意图；

图4为左旋圆偏振拉盖尔高斯激光加速正电子束的粒子模拟结果；图4(a)为时间为5T₀时正电子束的密度；图4(b)为时间为50T₀时正电子束的密度；图4(c)为时间为150T₀时正电子束的密度；图4(d)为正电子的发散角演化曲线；图4(e)为正电子的能量演化曲线；

图5为初始径向位置的影响及正电子的主要加速机制；图5(a)为正电子在不同初始径向位置r₀被捕获的归一化概率密度；图5(b)为100T₀时，被捕获的正电子在(η_x,η_⊥)空间的分布；

图6为载波包络相位(CEP)对正电子捕获的影响；图6(a)为正电子能量和径向位置随CEP的变化；图6(b)为当CEP分别为0,π以及3π/2时，激光纵向电场随相位ψ′的演化；图6(c)为当CEP分别为0,π以及3π/2时，相对论因子随相位ψ′的演化。

图7为轨道角动量(OAM)在捕获激光与正电子之间的转移；其中图7(a)典型正电子轨迹在yz平面上的投影；图7(b)为t＝50T₀时，正电子横向动量的分布；图7(c)为轨道角动量和能量随时间的演化；图7(d)为x方向正电子所受到的三个力矩随时间的演化。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，提供了一种正电子捕获系统，包括：

捕获光源和磁场偏转装置；

由于电性相反，从而受力相反，电子的捕获区域与正电子的捕获区域相差半个激光周期，电子和正电子都会被捕获，而且会被分离开来。形成的结构可以看作一串糖葫芦，例如第135个是电子，第246个是正电子，而经过偏转磁场后，正负电子会被偏转到不同的方向完成分离。

在一个实施例中，捕获光源的强度为I＝1.23×10²¹W/Cm²；脉冲宽度为τ＝4T₀(半宽)，其中T₀＝3.34fs，为激光周期。

在一个实施例中，系统还包括：高斯激光源、凹面反射镜和转换靶。

高斯激光源与凹面反射镜所在的第一平面与凹面反射镜与转换靶所在的第二平面互相垂直；通过凹面反射镜将高斯激光源发射的高斯激光聚焦并反射至转换靶，使得转换靶产生若干正负电子对并进入捕获电磁场。

在一个实施例中，高斯激光源的脉冲宽度为皮秒尺度，高斯激光源的强度在1×10¹⁹W/cm²量级。

在一个实施例中，转换靶为高原子序数材料；高原子序数材料为金靶、铅靶或者铜靶。

如图1所示，提供正电子产生和捕获系统的示意图。在图1中，捕获光源为左旋圆偏振拉盖尔高斯激光。

可以理解，进入捕获电磁场中的带电粒子束是由大量的正负电子对组成的，本方案主要针对其中的正电子的运动进行分析。以左旋圆偏振拉盖尔高斯激光为例，正电子的径向运动方程可以写为：

其中p_r为径向动量，E_r为径向电场、q₀为元电荷量，B_x为纵向磁场，v_x纵向速度，为角向磁场，/>为角向速度。

根据左旋圆偏振拉盖尔-高斯激光的电磁场之间的关系，不难看出，大多数情况下很小，约为零。E_r与/>这两个分量大小接近，方向相反，径向合力通常正比于(1-v_x/c)E_r。图2(a)为典型正电子所受到的三个径向场分量的演化曲线，可以发现三个分量的大小和方向和理论分析一致。

以左旋圆偏振拉盖尔-高斯激光为例，正电子刚进入激光场时，由于上升沿的激光场较弱，正电子不能沿着x轴充分加速。正电子将沿着包络上升沿滑到激光场更强的区域。它们将首先滑入减速区(即纵向减速电场)(DZ，E_x

0)，然后迅速滑入下一个加速区(即纵向加速电场)(AZ，E_x＞0)，因为在DZ中速度会降低，它们会一次又一次地被加速和减速，直到它们滑到一个激光场足够强并且失相时间足够长的区域。其中，E_x表示纵向电场。图2(b)为正电子的径向动量和纵向动量随时间的演化曲线，图2(c)为正电子的径向坐标和共动坐标随时间的演化曲线。如图2(b)和图2(c)所示，正电子在7T₀内迅速滑至x-ct＝-1.5，在这个过程中，纵向动量p_x≈0。图2(d)为左旋圆偏振拉盖尔高斯激光脉冲的径向和纵向电场分布。E_x＞0的区域用灰色标记。

激光径向和纵向电场的表达式为：

其中，E_L0为激光电场的峰值振幅，r为径向坐标，σ₀为束腰半径，为焦斑半径，g(x-ct)为为激光时间包络，ψ′是拉盖尔高斯激光去掉方位角之后的相位。

根据所用激光电磁场的表达式，E_r与E_x有π/2的相位差。在每个AZ的前半部分(从右到左)，E_r＞0，因此正电子受到正的净径向力，而在每个AZ的后半部分E_r＜0，因而净径向力为负值。当正电子滑过每一个AZ，正电子将经历一半径向加速和一半径向减速。由于激光场E_r沿包络上升沿逐渐变强，径向动量在半加速半减速后会逐渐减小。更重要的是，净径向力为正的持续时间远小于为负的时间。

例如，在图2(a)中，净径向力可以持续为负超过120T₀，而与之相对应的径向加速相位的时间小于5T₀。相应地，在图2(b)中，径向动量从～8T₀到～130T₀持续下降。因此，虽然正电子在AZ的前半部分p_r增大，但当它滑到后半部分时，p_r不断减小最终为负。如图2(b)所示。当p_r＜0时，径向位置r也会减小，这就是为什么在图2(c)中r也会减小。对于每个AZ，正电子在后半部分具有比前半部分高得多的纵向速度，因为它已经受到了半个AZ的加速，因此，正电子在AZ的后半部分相位滑移较慢。在每个减速区的前半部分(DZ,E_x＜0)，正电子的速度都比后半部分要大，而且净的径向力是向内的。因此，经过一个DZ后，正电子的径向动量会进一步减小。当正电子滑过一个AZ和一个DZ，径向动量p_r和径向坐标r均显著减小。在整个过程中，正电子的径向运动就像阻尼振动一样。径向电场力q₀E_r和磁场力分别充当恢复力和阻尼力。径向动量p_r和径向坐标r缓慢减小。最后，正电子被限制在捕获区域，并保持较小的径向动量，这就是本方案中正电子捕获系统的工作原理。

由于正电子的速度远小于激光的速度，激光能够迅速“追上”正电子束并与其相互作用。以左旋圆偏振拉盖尔-高斯激光为例，其具有特殊的电磁场结构，能够有效捕获收集正电子束，并对其进行品质优化。这里仅以脉冲长度较短的正电子束为例说明原理，对于实验上脉冲长度较长或者具有一定重复频率的正电子束将使用长脉冲或者高重频的激光场进行捕获。

正电子捕获方案的示意图如图3所示，圆柱表示激光等离子体直接方案产生的正电子束，这种正电子束通常具有较大发散角，密度通常为10¹⁶/cm³左右。本方案使用的捕获激光场为左旋圆偏振的模的拉盖尔高斯激光，该激光的无量纲参数为a₀＝30，束腰半径为σ₀＝5λ₀，其中λ₀＝1μm为激光波长。激光的脉宽为τ＝4T₀，其中T₀为激光周期。使用左旋圆偏振LG光照射正电子束(图3中的圆柱部分)，会将其中一部分正电子捕获在激光场中，并压缩成正电子串。激光作用之前，正电子的速度是各向异性的。被激光捕获之后，正电子的横向速度得到抑制，速度方向朝前(球体表示正电子位置，箭头代表正电子速度)。在激光与正电子相互作用之后，正电子被有效捕获。随机分布的热正电子转变成准直的正电子束，其径向运动被限制在较小范围内。在纵向，电子束会被压缩成正电子串。

如图4所示，提供左旋圆偏振拉盖尔高斯激光加速正电子束的粒子模拟结果。其中，图4(a)为时间为5T₀时正电子束的密度分布；图4(b)为时间为50T₀时正电子束的密度分布；图4(c)为时间为150T₀时正电子束的密度分布；图4(d)为正电子的发散角随时间的演化；图4(e)为正电子的能谱随时间的演化。可以看出，正电子在纵向被压缩，形成了正电子脉冲链，每一片的厚度均小于1fs。同时，从图4(b)和(c)中可以看出正电子束在横向被限制在很小的范围内，大约r＜6λ₀。因此正电子的密度可以有效提升。在50T₀时,正电子最大密度约为初始密度的70倍，如果使用更长的靶，正电子束可以被压缩到更高的密度。实验上的正电子束通常具有皮秒(ps)的长度，因而可以被压缩到极高的密度。图4(d)中可以看出正电子的发散角随时间急剧降低，在t＝150T₀时，峰值发散角仅为1.1°，半高全宽(FWHM)仅为2.84°。图4(e)表明正电子的能量随时间显著提升，t＝150T₀时，最大能量达到约450MeV，比初始能量高了两个量级。如果使用更强的激光，正电子的能量还能达到更高。

表1为对于a₀＝30和a₀＝10的激光，正电子捕获率随时间的演变。这里的捕获率定义为位于内被捕获的正电子数目与初始位于激光焦斑内(r₀＜σ)的正电子数的比值。

表1对于a₀＝30和a₀＝10的激光，正电子捕获率随时间的演变

表1给出了不同激光强度a₀下，正电子捕获率随时间的演化。对于a₀＝10的激光，初始捕获率高达35％，但是它随时间迅速下降，在50T₀时仅为约17％。必须提高激光强度以适应MeV的正电子温度。当激光强度提高到a₀＝30，初始捕获率超过40％。即使在150T₀，也有接近30％的正电子被捕获。通过增加激光强度，即使更高温度的正电子束也能有效捕获。

图5(a)为正电子在不同初始径向位置r₀被捕获的归一化概率密度，可以看出，捕获概率密度随r₀下降较为缓慢。即使在束腰半径(σ₀＝5λ₀)处，捕获概率密度仍为最大值的70％。这说明对于一定焦斑半径的激光，我们的方案可以捕获更大范围内的正电子。图5(b)为100T₀时，被捕获的正电子在(η_x,η_⊥)空间的分布，其中η_x表示正电子从纵向电场中得到的能量，而η_⊥代表从横向电场中获得的能量。从中可以弄清楚在正电子的加速过程中，是纵向电场还是横向电场占主导地位。可以看出，对于大多数正电子，横向电场的能量增益很小.约75％的被追踪电子在(-50＜η_⊥＜50,-100＜η_x＜450)的区域内，这表明对于大多数被捕获的电子，纵向电场在加速过程中占主导地位。因此，当研究捕获机制的时候，我们主要研究纵向电场的加速。

我们的系统不仅能获得高能正电子，还能通过改变激光参数来调节正电子能量。图6为载波包络相位(CEP)对正电子捕获的影响。图6(a)为正电子能量和径向位置随CEP的变化，γ为相对论因子，与正电子能量成正比，r_max为运动过程中的最大径向位置，用于衡量正电子是否被有效捕获；图6(b)为当CEP分别为0,π以及3π/2时，激光纵向电场随相位ψ′的演化；图6(c)为当CEP分别为0,π以及3π/2时，相对论因子随相位ψ′的演化。

可以看出，随着载波包络相位的变化，r_max变化相对较小，基本在6λ₀以内，也就是说无论载波包络相位如何变化，正电子总能被有效捕获。我们还可以发现，随着载波包络相位的变化，γ在0到230之间变化，即通过调节载波包络相位可以有效调节捕获正电子的能量。图6(b)和图6(c)分析了正电子能量调节的原因，即调节载波包络相位的变化能够改变实际上加速正电子的纵向电场大小，从而调节正电子的能量。

在本系统中，正电子能够从捕获场中获得轨道角动量，图7为轨道角动量(OAM)在捕获激光与正电子之间的转移；其中图7(a)典型正电子轨迹在yz平面上的投影；图7(b)为t＝50T₀时，正电子横向动量的分布；图7(c)为轨道角动量L_x和能量γ随时间的演化；图7(d)为x方向正电子所受到的力矩M_x以及合力矩M_n，x随时间的演化，其中指的是M_x的三个分量。如图7(a)以及图7(b)所示，正电子在绝大多数时间会在yz平面上做逆时针旋转。此外，正电子轨道角动量的变化趋势与能量的极为相似，如图7(c)所示。在我们的方案中，由于激光电磁场的作用，正电子的角向运动受到三个力矩分量/>的影响。通过跟踪以上三个分量，我们发现促使正电子逆时针旋转的合力矩总是正比于角向电场/>由于角向电场分量随时间的变化与加速电场类似，轨道角动量的变化与能量(用γ表示)的变化也极为相似。

综上，本方案可以使用具有特殊结构的激光作为捕获场，来捕获带电粒子，并对其进行品质优化。传统大多使用线圈结构产生的磁场来捕获带电粒子，与传统方案相比，本方案有诸多优点，如不仅能捕获带电粒子，还能减小其发散角，使其离开捕获场之后还能稳定传输。

捕获激光场除了使用左旋圆偏振拉盖尔高斯激光之外，使用以径向偏振光为代表的其他矢量偏振光束也能实现相似效果，但是效果会略有差异。

矢量偏振光有很多种，如径向偏振光，角向偏振光。这里以径向偏振光为例。正电子在径向偏振光作用下，其径向运动方程为：

该方程相比左旋圆偏振拉盖尔高斯光的径向运动方程少了这一项，由于/>通常远小于光速，这一项在前面的分析中被忽略，因此合力正比于径向电场E_r的结论不会变。矢量偏振光的E_x、E_r表达式与左旋圆偏振拉盖尔高斯激光形式上完全一样，因此加速机制、准直机制都是一样的。不同的是，径向偏振光没有/>B_x这两个分量，所以不涉及轨道角动量的转移。在实际应用中可以根据需要选择不同的捕获激光场，如果需要带有轨道角动量的正电子就选用拉盖尔高斯激光，如果不需要轨道角动量就选用径向偏振光。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种正电子捕获系统，其特征在于，所述系统包括：

捕获光源和磁场偏转装置；

所述捕获光源用于形成捕获电磁场，使得进入所述捕获电磁场的带电粒子束的径向坐标和径向动量减小并被限制在捕获区域；所述捕获光源为左旋圆偏振拉盖尔高斯激光或者矢量偏振光束；所述捕获电磁场中的径向电场和纵向电场存在π/2的相位差；所述纵向电场中包括多个交替的纵向加速电场和纵向减速电场；

所述磁场偏转装置设置在所述捕获区域前方，用于对被捕获的带电粒子束中的正电子和电子进行分离以得到正电子束。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

高斯激光源、凹面反射镜和转换靶；

所述高斯激光源与所述凹面反射镜所在的第一平面与所述凹面反射镜与所述转换靶所在的第二平面互相垂直；

通过所述凹面反射镜将所述高斯激光源发射的高斯激光聚焦并反射至所述转换靶，使得所述转换靶产生若干正负电子对并进入所述捕获电磁场。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述转换靶为高原子序数材料。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述高原子序数材料为金靶、铅靶或者铜靶。