[科普中國(guó)]-μ子束

概述

自從在宇宙射線中發(fā)現(xiàn) 子后，對(duì) 子的研究和應(yīng)用逐漸發(fā)展起來(lái)，但是宇宙射線中的 子強(qiáng)度太低、能量太高且不可控制，這些都限制了對(duì) 子科學(xué)的研究。隨著質(zhì)子加速器的發(fā)展和 子基本物理性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度的 子束在粒子物理、材料科學(xué)、能源科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域都有重要作用。其中利用自旋極化的 子束作為磁探針來(lái)研究凝聚態(tài)的方法稱為 （muonspinrotation/relaxation/resonance)技術(shù)。 技術(shù)的基本原理是極化 子束注入材料后，它的自旋與材料中磁場(chǎng)相互作用，自旋方向會(huì)發(fā)生變化，之后衰變產(chǎn)生的正電子傾向于沿著 子極化方向出射，通過(guò)探測(cè)正電子的空間和時(shí)間信息可以獲得材料中磁場(chǎng)的相關(guān)信息?；谫|(zhì)子加器的高強(qiáng)度極化 子源是通過(guò)高能質(zhì)子轟擊石墨靶得到的。質(zhì)子與靶核反應(yīng)產(chǎn)生 介子，由靜止在靶表面附近的 介子衰變產(chǎn)生的 子，稱為表面 子，極化率接近100%；飛行中的 介子產(chǎn)生的 子，稱為衰變 子，經(jīng)過(guò)某一動(dòng)量篩選可得到極化率約70%的較高能量的 子束。這兩種類型的，源能量都在 量級(jí)，在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到的是體材料性質(zhì)。通過(guò)慢化表面 子得到的慢 可研究納米材料、薄膜材料、樣品表面等的性質(zhì)。由于 子慢化效率較低，高強(qiáng)度 子源是得到可用于實(shí)驗(yàn)的慢 源的前提；高強(qiáng)度 子源同時(shí)也是通過(guò)準(zhǔn)直等方法獲得較小束斑或微束 源的前提。1

PSI上的μ束線和譜儀基于PSI質(zhì)子加速器有7條 子束線中名字里有含有E的束線是基于厚靶產(chǎn)生的 子束流線（E是法語(yǔ)“Epaisse”，靶厚度是40或60mm），包含M的束線是基于薄靶產(chǎn)生的 子束流線（M是法語(yǔ)“Mince”，靶厚度為5mm)。 子是由2mA、590MeV質(zhì)子束流轟擊靶材里的核子產(chǎn)生的 介子衰變而來(lái)的?？梢缘玫揭韵聨追N不同能量范圍的 子：（1）從靶表面產(chǎn)生的表面或者亞表面 （動(dòng)量范圍5-30MeV/c)；（2）由靶外的 介子衰變產(chǎn)生正和負(fù)的衰變 （動(dòng)量范圍10-280MeV/c）；（3）由低溫慢化體將表面 變成超熱 ，然后再通過(guò)一系列的加速和聚集、傳輸最終達(dá)到能量30keV。

是為用戶提供高強(qiáng)度中能極化 子的束線，擁有較低能的 子和較少的電子污染，從E靶出來(lái)的 介子被偏轉(zhuǎn)10°的四極磁鐵組提取， 束線主要包括三個(gè)部分： 介子的收集部分、一個(gè)長(zhǎng)的超導(dǎo)螺線管和 子提取部分，其束流元件見圖1(a)。 子的動(dòng)量由偏轉(zhuǎn)磁鐵偏轉(zhuǎn)后由一個(gè)四組磁鐵對(duì)聚焦到長(zhǎng)為8m內(nèi)徑為120mm的超導(dǎo)螺線管入口，超導(dǎo)螺線管的長(zhǎng)度選擇與 介子的衰變長(zhǎng)度有關(guān)，螺線管入口外的 介子的動(dòng)量為220MeV/c，螺線管的中心磁場(chǎng)為5T。在 子提取部分，提取與入射的 介子動(dòng)量不同的 子，優(yōu)先提取在質(zhì)心坐標(biāo)系中背向衰變的 子。在這種情況下從靶外產(chǎn)生的正電子的污染非常低（ ）， 子的極化率高達(dá)75%。在 束線上有兩種 子實(shí)驗(yàn)運(yùn)行模式，模式A是非色差低動(dòng)量分辨率的實(shí)驗(yàn)，主要目的是擁有盡可能高的 子強(qiáng)度；模式B是有色差的擁有好的動(dòng)量分辨率的實(shí)驗(yàn)，主要用于稍薄的材料測(cè)量。

位于 束線上的GPD（GeneralPurposeDecay-ChannelSpectrometer）諧儀，如圖1（b），正負(fù) 子動(dòng)量范圍為60-125MeV/c，主要是衰變 。它有兩個(gè)準(zhǔn)直器，圓柱型準(zhǔn)直器可以將束斑分別準(zhǔn)直到直徑為16、12、10、8或6mm，矩形準(zhǔn)直器的孔大小為 。在準(zhǔn)直器和樣品室之間是厚度為2mm的塑料閃爍體作為入射 子探測(cè)器，并有4mm厚的上下左右的正電子-電子探測(cè)器，探測(cè)器系統(tǒng)的時(shí)間分辨率約為1ns。樣品室的主要磁場(chǎng)大小為0~0.66T，垂直或者平行于 子自旋方向。用不同的低溫恒溫器（OxfordSorptionPumped3HeCryostattype，Janis4HeVaporizerCryostat，NewChemistryCryostat）可以使樣品室的溫度范圍達(dá)到0.3-500K。

束線是PSI上唯一一個(gè)可以為實(shí)驗(yàn)提供表面和亞表面子的束線，盡管最初的通道優(yōu)化的介子動(dòng)量達(dá)到350MeV/c。如圖1（a）束線，一組四極磁鐵組與薄靶M方向有一個(gè)22.5°夾角，它提供相對(duì)較大的30mrad立體角。這些傳輸?shù)膭?dòng)量范圍可以在1%和3%之間選擇，一個(gè)長(zhǎng)為3m的交叉粒子分離器可以做為一個(gè)電子子分離器或者子自旋旋轉(zhuǎn)器，使用粒子分離器，正電子的污染可以減少至1%-2%。在粒子分離器之后，束流被偏轉(zhuǎn)到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，常規(guī)研究系統(tǒng)的GPS和低溫設(shè)備LTF。1