基于质子加速器的muon束流设计和慢muon装置的研究

摘要

自从在宇宙射线中发现μ子后，对μ子的研究和应用逐渐发展起来，但是宇宙射线中的μ子强度太低、能量太高且不可控制，这些都限制了对μ子科学的研究。随着质子加速器的发展和μ子基本物理性质的发现，高强度的μ子束在粒子物理、材料科学、能源科学、生命科学等领域都有重要作用。其中利用自旋极化的μ子束作为磁探针来研究凝聚态的方法称为μSR(muon spinrotation/relaxation/resonance)技术。μSR技术的基本原理是极化μ子束注入材料后，它的自旋与材料中磁场相互作用，自旋方向会发生变化，之后衰变产生的正电子倾向于沿着μ子极化方向出射，通过探测正电子的空间和时间信息可以获得材料中磁场的相关信息。基于质子加器的高强度极化μ子源是通过高能质子轰击石墨靶得到的。质子与靶核反应产生π介子，由静止在靶表面附近的π介子衰变产生的μ子，称为表面μ子，极化率接近100％;飞行中的π介子产生的μ子，称为衰变μ子，经过某一动量筛选可得到极化率约70％的较高能量的μ子束。这两种类型的μ源能量都在MeV量级，在实验中测量得到的是体材料性质。通过慢化表面μ子得到的慢μ可研究纳米材料、薄膜材料、样品表面等的性质。由于μ子慢化效率较低，高强度μ子源是得到可用于实验的慢μ源的前提;高强度μ子源同时也是通过准直等方法获得较小束斑或微束μ源的前提。
　　本文主要利用蒙卡模拟软件和束流矩阵计算软件开展μ子束流方面的研究。中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source，CSNS)经过直线和环形质子加速器的加速，最终可得到1.6 GeV的高能质子，一期功率100 kW。本文基于CSNS上的高能质子束，利用超导螺线管收集和传输技术，设计出我国的高强度脉冲型μ子束线。瑞士PSI(Paul Scherrer Institute)拥有目前国际上强度最高的连续型表面μ源和唯一一条能用来做μSR实验的慢μ束线。微米量级的μ束可以研究小于1 mm2的材料，可以使μSR发展成为位置灵敏的技术，因此PSI考虑基于高强度表面μ源建设一个微米束斑的μ子束线。慢μ实验端外加的电磁场在实验中对束斑影响很大，本论文研究了这些电磁场对束斑的影响，并给出了减小样品处束斑大小的办法。极化率是表面μ子非常重要的特点，本文对超导螺线管磁场对表面μ+极化率的影响进行了详细计算。
　　本论文主要的研究成果如下:
　　1)基于中国散裂中子源设计出利用超导螺线管收集系统来获得高强度脉冲型μ源的束线。首先通过Geant4和Fluka两种蒙卡模拟软件计算出低Z和偏高Z靶材的μ子和π介子的能动量分布。使用Geant4计算得到表面μ子和不同能量π介子的产率，以及这些粒子动量方向与初始质子束夹角的分布。用Fluka计算了质子轰击四种靶材的能量沉积，综合分析得到石墨靶是产生μ子和π介子的理想靶材。根据散裂中子源上高能质子应用区的布局，规划出超导螺线管收集和传输系统的布局。使用G4beamline软件计算在衰变螺线管之后的表面和衰变μ子相空间分布，将这个相空间分布的参数作为初始源，应用TRANSPORT得到衰变螺线管之后聚焦元件的束流包络，应用TURTLE计算了在实验端的表面和衰变μ子相空间分布和产率。
　　2)对PSI的πE3束线上考虑建造国际上第一个微米量级连续型μ子束线的可行性进行了计算。用TRANSPORT和TURTLE两种模拟软件首先考虑了束流后端的两组四极磁铁组(triplet)对初始束流的聚焦情况，计算结果表明大角散的束流会明显减小微米束流的传输效率，大的束斑也能减少传输效率，但其影响小于角散的影响。计算结果结合刘维尔定理表明在两组triplet之前的束流尽量调成大束斑的平行束，更利于后端μ子束的聚焦。通过束流光学模拟优化，最终整体束线在200×200μm2范围内的传输效率为10-4和10-5量级，因此估算最终经过准直后到达微米范围内的μ子强度达到103/s和104/s量级，可以用来进行微束实验。
　　3)研究了PSI上的低能μ子束在样品端外加的横向/纵向磁场和电场对束斑的影响。样品端外加的磁场用来进行纵向和横向μSR实验。外加的平行于μ子动量方向的电场用来将μ子加速到不同能量(0.5～30 keV)来研究不同厚度的样品。它们会使束斑或偏移或发散，通过比较实验测试结果和使用基于Geant4的musrSim软件模拟的结果，发现可以通过调整锥形透镜RA的设置来极大地减少外加电磁场对束斑的影响，模拟结果与实验吻合。当前慢μ上的束斑大小σx和σy约为6mm，使慢μ装置只能用来测量大于1 cm2的样品。在慢μ束上考虑了移除触发探测器(10 nm碳膜)和缩小慢化体处提取束斑大小来减小实验端样品尺寸。移除触发探测器时束斑大小可以减小到3.5～4.0 mm。在移除这个探测器的情况下，使用二次慢化体也可以提供μ SR实验测量的时间信号。此外，也模拟研究了在触发探测器前和在慢化体前的束流准直方法来减小束斑。
　　4)研究螺线管中表面μ+自旋极化率和产率。μ子在磁场中进行Larmor进动，螺线管中磁场在与μ子极化方向垂直方向上的分量会对极化方向产生影响。使用G4beamline计算了不同靶长、不同螺线管磁场强度、不同靶偏转角度时的表面μ子的自旋极化率和产率的变化。计算结果表明，螺线管的磁场会对极化率产生一定的影响，但影响并不大，可以忽略。获得较高产率的最佳靶长在350mm以上，螺线管磁场大于4T，偏转角大于20°。考虑了超导螺线管传输系统对表面μ+的聚焦和对极化率的影响，由于螺线管的纵向分量较小，对表面μ+极化率影响可以忽略;磁场越大，聚焦效果越好，传输螺线管的磁场最好大于2T。

目录

声明

摘要

表格索引

插图索引

第一章 绪论

1．1 μ子的基本性质

1．1．1 μ子的发现及性质

1．1．2 基于质子加速器μ子的产生

1．1．3 μ子的衰变

1．2 国际上基于质子加速器μ源介绍

1．2．1 μ源的类型

1．2．2 国际上基于加速器μ源的发展现状

1．3 μSR谱学的介绍及应用

1．3．1 μSR谱学基本原理

1．3．2 横向场、纵向场／零场μSR实验

1．3．3 脉冲型和连续型μ源的μSR技术比较

1．3．4 μSR技术应用

第二章 基于CSNS上质子加速器的高强度μ子源设计

2．1 CSNS简介及μ源布局规划

2．1．1 CSNS发展现状

2．1．2 基于CSNS的μ源的规划

2．2 基于CSNSμ子束线上靶的模拟研究

2．2．1 几种蒙卡模拟软件的比较

2．2．2 CSNS用于μ子束的质子束参数

2．2．3 四种靶材的μ子和π介子产率的模拟

2．2．4 四种靶材的能量沉积

2．3 超导螺线管内靶收集系统的布局

2．3．1 超导螺线管与常规磁铁收集的表面μ子产率的比较

2．4 弯曲超导螺线管与衰变螺线管的布局

2．4．1 衰变长度估算

2．4．2 弯曲螺线管与偏转螺线管的布局

2．4．3 偏转磁铁和聚焦四极磁铁的表面μ束流光学模拟

2．4．4 偏转磁铁和聚焦四极磁铁的衰变μ束流光学模拟

2．5 本章小节

第三章 PSI上微束μ子源的模拟设计

3．1 PSI上质子加速器及SμS的介绍

3．1．1 PSI质子加速器设施

3．1．2 PSI上的μ束线和谱仪

3．2 基于πE3束流的微束模拟设计

3．2．1 一级和二级束流光学

3．2．2 两组四极磁铁组的聚焦性质

3．2．3 πE3束线上微束考虑

3．3 本章小结

第四章 PSI低能μ子装置的Geant4模拟：束斑优化

4．1 μ子慢化原理

4．1．1 低温固态稀有气体慢化方法

4．1．2 激光共振电离方法

4．2 PSI低能μ子束流装置

4．2．1 LEM束流元件布局

4．2．2 LEM慢化体

4．3 实验端外加电磁场对束斑影响及修正

4．3．1 AEW磁场和外加平行于μ动量方向的电场对束斑的影响

4．3．2 束斑偏离的调整(通过调整锥形透镜RA参数)

4．3．3 WEW磁场对样品处束斑的影响及RA优化

4．4 减小LEM装置样品处束斑的考虑

4．4．1 目前LEM样品处束斑大小的实验值和模拟值的比较

4．4．2 触发探测器对LEM束斑尺寸的影响

4．4．3 在慢化体处和在触发探测器处的准直对束斑大小的影响

4．4．4 关于减小束斑尺寸的讨论

4．5 本章小节

第五章 表面μ子在螺线管中的自旋极化率和聚焦

5．1 μ子在均匀场中的自旋变化

5．2 常规方形石墨靶的表面μ子极化率

5．3 不同情况下螺线管中收集的表面μ子的自旋极化率和产率

5．4 螺线管对表面μ子束的聚焦研究

5．5 本章小节

第六章 总结与展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果