基于摩擦冷却方法的新型缪子慢化技术研究

The low energy muon beam, especially the slow muon beam, whose energy is continuously adjustable in the range of 1eV to several tens of keV, are widely used in material science and particle physics research. At present, only the Paul Scherrer Institute in Switzerland owns the slow muon beam that can meet the needs of users. The beam uses a cryogenic moderator to slow down the high-energy muons, the efficiency is about 10 ^ (-5). The frictional cooling method is expected to significantly increase this efficiency. This project will explore the feasibility of applying frictional cooling method in muon moderation from both simulation and experiment. We will comprehensively study the physics processes of muon in the moderating material and implement them in Monte Carlo simulations. We will also carry out a frictional cooling demonstration experiment to study in detail the moderation efficiency and beam energy dispersion and other important parameters, and benchmark the simulation program. This project will actively promote the frontier research of muon moderation technology and provide an efficient moderation method and experimental experience for the upcoming Experimental Muon Source (EMuS) project.

低能量缪子，尤其是能量在1eV至几十keV范围连续可调的慢缪子，在材料科学及粒子物理研究中具有广泛应用。目前国际上仅有瑞士PSI研究所拥有能达到部分用户需求的慢缪子束流。该束流使用低温慢化体方法将高能量缪子慢化，效率约为10^(-5)。而摩擦冷却方法有望极大提高缪子慢化效率。其原理是使用慢化材料将缪子减速的同时使用外电场将其加速，由于在低能量区，较低能量的缪子损失能量少，较高能量的缪子损失能量多，这样所有缪子最终达到平衡能量，从而达到降低能散提高效率的目的。本项目将从模拟和实验两方面探索研究摩擦冷却慢化方法在缪子慢化中的可行性，将全面研究缪子在慢化材料中的物理过程，并引入蒙特卡洛模拟，同时进行摩擦冷却验证实验，以详细研究其慢化效率及束流能散等重要参数，并标定模拟程序。本项目将积极推动缪子慢化技术的前沿研究，并为即将开展的CSNS缪子源项目提供一种高效的慢化方法和实验经验。

本项目开展了基于摩擦冷却方法的新型缪子慢化方法研究，采用了质子作为粒子源来验证摩擦冷却方法，采用氦气加电场的方式使粒子达到平衡能量而冷却。能量为几十keV的慢缪子在凝聚态物理和粒子物理中具有重要作用，是我国正在建设的缪子源的重要技术发展方向。传统基于低温慢化体的缪子慢化方法设备复杂且慢化效率较低。基于摩擦冷却方法有望大幅提高缪子慢化效率。其原理是采用氦气将缪子慢化下来，同时使用电场使低能量缪子加速，缪子从电场获得的能量与在氦气中损失的能量平衡时，其达到慢化条件，最终从气室中逸出。本项目的主要研究目标是验证摩擦冷却的原理与可行性。本项目完成了多项研究，包括：1. 缪子/质子在氦气中慢化过程模拟软件开发；2. 简易质子源的发明和制作，获得发明专利一项；3.研究了金属电极外接法、陶瓷环喷涂电阻法、磁控溅射镀膜法及静电耗散材料等多种高压气室的制作方法，并最终获得较好的气室制作工艺；4. 获得了摩擦冷却1mbar氦气气压下高达40kV的加速电压，加速电场强度达到2.67kV/cm，远远超过了摩擦冷却所需的电场条件，并且测量到的质子能量能与理论模拟预期较好的符合，从而最终获得了摩擦冷却方法的关键实验条件数据。模拟显示在此条件下可以获得缪子慢化效率比低温慢化体方法高近一个量级，这为未来进一步开展缪子束流实验并最终在我国正在建设的缪子源上建设首个慢缪子束线打下了坚实的基础。同时本项目积极开展国内外合作交流，与复旦大学、中国科技大学等高校建立了良好的合作关系，同时积极拓展国际合作，与英国ISIS研究所、日本理化所、瑞士PSI签订了合作协议，与日本理化所联合申请并获得了国家重点研发计划政府间合作重点专项的支持。未来在包括缪子慢化在内的多项缪子技术上将与外方开展广泛合作。