一种正电子束流传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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.M Dirac预言了正电子的存在，1932年，美国物理学家C.D Anderson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。
[0003]正电子和负电子碰撞时会发生煙没现象。低能情况下，正负电子的质量转化为γ光子的能量。高能时，正负电子的煙没会产生基本粒子。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。
[0004]a)正电子源
正电子源主要分为三类:(I)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。
[0005]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切立体角均匀分布，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l-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。
[0006]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，SLC Conceptualdesign report)，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革E(钽革E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101()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。
[0007]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Ti tan激光装置及OMEGA EP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，Phys Plasmas, 20 (2013) 013111)。产生的脉冲正电子数达到101()?1012，最高能量达到20 MeV，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革E，产生正电子(文章发表见，Phys Rev Lett, 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16-1O8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。
[0008]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。
[0009]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，ZER0TH-0RDERDESIGN REPORT FOR THE NEXT LINEAR COLLIDER)。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。
[0010]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】
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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Me V连续可调。
[0017]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。
[0018]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。