μ子束

自從在宇宙射線中發現 子後，對μ子的研究和套用逐漸發展起來，但是宇宙射線中的μ子強度太低、能量太高且不可控制，這些都限制了對μ子科學的研究。隨著質子加速器的發展和μ子基本物理性質的發現，高強度的μ子束在粒子物理、材料科學、能源科學、生命科學等領域都有重要作用。

基本介紹

• 中文名：μ子束
• 外文名：Muon beam
• 套用學科：能源工程
• 範疇：工程技術
• 涉及：物理學
• 方法：μSR

概述

自從在宇宙射線中發現 子後，對 子的研究和套用逐漸發展起來，但是宇宙射線中的 子強度太低、能量太高且不可控制，這些都限制了對 子科學的研究。隨著質子加速器的發展和 子基本物理性質的發現，高強度的 子束在粒子物理、材料科學、能源科學、生命科學等領域都有重要作用。其中利用自旋極化的 子束作為磁探針來研究凝聚態的方法稱為 （muonspinrotation/relaxation/resonance)技術。 技術的基本原理是極化 子束注入材料後，它的自旋與材料中磁場相互作用，自旋方向會發生變化，之後衰變產生的正電子傾向於沿著 子極化方向出射，通過探測正電子的空間和時間信息可以獲得材料中磁場的相關信息。基於質子加器的高強度極化 子源是通過高能質子轟擊石墨靶得到的。質子與靶核反應產生 介子，由靜止在靶表面附近的 介子衰變產生的 子，稱為表面 子，極化率接近100%；飛行中的 介子產生的 子，稱為衰變 子，經過某一動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，在實驗中測量得到的是體材料性質。通過慢化表面 子得到的慢 可研究納米材料、薄膜材料、樣品表面等的性質。由於 子慢化效率較低，高強度 子源是得到可用於實驗的慢 源的前提；高強度 子源同時也是通過準直等方法獲得較小束斑或微束 源的前提。

PSI上的μ束線和譜儀

基於PSI質子加速器有7條 子束線中名字里有含有E的束線是基於厚靶產生的 子束流線（E是法語“Epaisse”，靶厚度是40或60mm），包含M的束線是基於薄靶產生的 子束流線（M是法語“Mince”，靶厚度為5mm)。 子是由2mA、590MeV質子束流轟擊靶材里的核子產生的 介子衰變而來的。可以得到以下幾種不同能量範圍的 子：（1）從靶表面產生的表面或者亞表面 （動量範圍5-30MeV/c)；（2）由靶外的 介子衰變產生正和負的衰變 （動量範圍10-280MeV/c）；（3）由低溫慢化體將表面 變成超熱 ，然後再通過一系列的加速和聚集、傳輸最終達到能量30keV。

是為用戶提供高強度中能極化 子的束線，擁有較低能的 子和較少的電子污染，從E靶出來的 介子被偏轉10°的四極磁鐵組提取， 束線主要包括三個部分： 介子的收集部分、一個長的超導螺線管和 子提取部分，其束流元件見圖1(a)。 子的動量由偏轉磁鐵偏轉後由一個四組磁鐵對聚焦到長為8m內徑為120mm的超導螺線管入口，超導螺線管的長度選擇與 介子的衰變長度有關，螺線管入口外的 介子的動量為220MeV/c，螺線管的中心磁場為5T。在 子提取部分，提取與入射的 介子動量不同的 子，優先提取在質心坐標系中背向衰變的 子。在這種情況下從靶外產生的正電子的污染非常低（ ）， 子的極化率高達75%。在 束線上有兩種 子實驗運行模式，模式A是非色差低動量解析度的實驗，主要目的是擁有儘可能高的 子強度；模式B是有色差的擁有好的動量解析度的實驗，主要用於稍薄的材料測量。

圖1

位於 束線上的GPD（GeneralPurposeDecay-ChannelSpectrometer）諧儀，如圖1（b），正負 子動量範圍為60-125MeV/c，主要是衰變 。它有兩個準直器，圓柱型準直器可以將束斑分別準直到直徑為16、12、10、8或6mm，矩形準直器的孔大小為 。在準直器和樣品室之間是厚度為2mm的塑膠閃爍體作為入射 子探測器，並有4mm厚的上下左右的正電子-電子探測器，探測器系統的時間解析度約為1ns。樣品室的主要磁場大小為0~0.66T，垂直或者平行於 子自旋方向。用不同的低溫恆溫器（OxfordSorptionPumped3HeCryostattype，Janis4HeVaporizerCryostat，NewChemistryCryostat）可以使樣品室的溫度範圍達到0.3-500K。

束線是PSI上唯一一個可以為實驗提供表面和亞表面子的束線，儘管最初的通道最佳化的介子動量達到350MeV/c。如圖1（a）束線，一組四極磁鐵組與薄靶M方向有一個22.5°夾角，它提供相對較大的30mrad立體角。這些傳輸的動量範圍可以在1%和3%之間選擇，一個長為3m的交叉粒子分離器可以做為一個電子子分離器或者子自旋旋轉器，使用粒子分離器，正電子的污染可以減少至1%-2%。在粒子分離器之後，束流被偏轉到兩個實驗區域內，常規研究系統的GPS和低溫設備LTF。