研究堆慢正电子源的关键物理问题研究

Slow positrons have been proven to be a powerful tool to study the near surface defect in materials science, for its capability of reconstructing the electronic environment within several atom layers near the surface. Recent applications of positron beam techniques have led to an increasing demand for high intensity positron sources. And considerable efforts are being made worldwide to design and set-up high intensity positron sources. Neutron induced positron is a feasible way to achieve the high intense object, which have been constructed or design in several research reactors with a distinctive improvement for the following spectrometers. However research on reactor-based positron has not been performed due to lack of suitable RR.. In this research, we focus on the principles behind the neutron induced slow positron source, and try to establish a proper model to describe the “(n, γ)—(γ,pair)—e+ slowing down and emission” process, the positron extraction and transport process. Some pivotal parameters will be obtained experimentally. And the whole model will be verified with measurement result of the operating sources. Moreover, the source will be considered combined with the advanced research reactor as an entirety, including the source arrangement within the reactor, the source influence to the core, and its own behavior in the in-core environment.

慢正电子对缺陷及原子尺度结构极为敏感，能探测距离表面几个原子层厚度内的信息，是材料近表面缺陷研究的有力工具。随着其应用的不断深入，人们对源强度提升的需求日益强烈。在研究堆上构建中子诱发的慢正电子源，是获得更高强度的有效途径，国际上已经建造了多个基于研究堆的慢正电子源，源后端的谱仪性能也因之获得显著提升。但国内对中子诱发的慢正电子源研究尚未开展。. 本研究对研究堆慢正电子产生的过程的关键物理问题进行研究，试图建立正确合理的物理模型来描述“(n, γ)—(γ,pair)—快正电子慢化与发射”整个物理过程，研究束流提取、引出装置及其损耗，模型的关键核数据拟通过实验方法得到，用国际上已经建成的慢正电子源实验数据对模型进行综合验证；将源与先进研究堆综合考虑，选择合适的堆内位置，分析慢正电子源放入后对反应堆的影响，并讨论其本身在堆内的行为特性。

慢正电子束是表面材料科学研究的重要工具，反应堆慢正电子源是当前获得高强度慢正电子束流的最佳方式。近十年国际上建成了多座高强度装置，获得了的正电子束，极大促进了表面材料科学发展：一方面促使新型正电子束流应用技术产生，如（全）反射高能正电子衍射((T)RHRPD)、时间关联正电子湮灭俄歇电子谱仪(PAES)；另一方面后端谱仪性能大大提升，样品测量时间明显缩短，以SPM测量为例，采用研究堆正电子源仅需10分钟即达到22Na源数天的测量精度。当前我国尚无超过的慢正电子源，严重制约了我国在表面材料科学领域的发展。目前中国绵阳研究堆(CMRR)已经正式运行，年运行时间约200天，功率20MW，尚有可用孔道允许构建慢正电子源。.本项目着眼于在CMRR堆构建慢正电子源，从“反应堆慢正电子源关键物理过程模型构建”、“模型关键参数的获取与模型验证”、“CMRR堆慢正电子源初步设计与堆内行为影响”三方面展开：厘清了关键物理过程，构建了正确简洁的分析模型；获得了关键参数，通过多种实验验证了模型与参数的正确性；针对CMRR堆孔道实际情况，初步设计了慢正电子源结构。圆满完成了课题研究目标，具体的：建立了描述反应堆慢正电子源强度的物理模型，采用MCNP程序计算快正电子产生率，针对重复结构进行适当简化给出了形式简洁的慢化逸出模型，采用SIMION程序计算慢正电子从靶环中提取过程、电镜聚焦及磁场输运过程。采用多种实验对模型进行验证：采用同位素源验证慢化逸出模型，采用PULSTAR源靶管提取效率值验证提取过程模型；采用实验测试装置验证聚焦引出模型；采用PULSTAR源实验结果对整体模型进行验证。基于前述验证过的模型参数，针对CMRR堆M3水平孔道与单晶硅垂直孔道设计了两种慢正电子源结构，基本结构是六边形排列的20um厚钨环，每个钨环Φ10×30mm，外部包有0.5mm厚的镉壳。考虑到工程可行性与末端束流强度，我们倾向于采用单晶硅孔道布置方案，其末端慢正电子束流强度可达，非常具有吸引力。