基于氦气的新型正电子慢化方法研究

Efficiently creating beams of positrons with energies between eV and several tens of keV (so-called “slow positron” beams) is important for various scientific research fields, including surface science research and particle physics research. One existing method of creating slow positron beams involves the use of rare gas solid moderators, such as solid neon which has the highest moderation efficiency to date. Because of helium's high ionization energy and because the cross section for positronium formation is suppressed in helium gas, we expect the production of slow positrons using helium gas to be highly efficient. Additionally, the density of a gaseous moderator is easier to control. This moderation method also has the potential to be further developed and applied to the moderation of muon beams. Thus, we propose a project that will explore, in both simulation and experiment, the feasibility of using helium gas as a moderator. The simulation would involve detailed Monte Carlo modeling of the various types of interactions between the positrons and helium gas. The experiment would study in detail the stopping power, the moderation efficiency, the beam energy dispersion, and other important parameters, as well as validate the simulation.

能量为eV至几十keV的正电子称为慢正电子或低能量正电子。慢正电子束作为一种新的探针，它的应用领域十分广泛并且不断扩大，例如材料表面科学的研究，及粒子物理方面的研究。目前效率最高的正电子慢化方法是以固态惰性气体层作为慢化体，而其中固态氖的效率最高。由于氦具有更高的电离能，正电子与氦气相互作用的电子偶素形成截面较小，且气体的密度易控、系统和操作较简单，基于以上这些特点，本研究将分别从模拟和实验方面系统地研究将氦气应用于正电子慢化的可行性，并以获得更高的慢化效率为研究目标，期望通过本研究发展出一种更方便应用、慢化效率也比较高的正电子慢化方法，并将类似的方法推广应用到更重要的缪子束流慢化中。模拟方面，将基于蒙特卡罗模拟研究正电子与氦气的各种相互作用。实验方面，将详细研究和测量低能量正电子在氦气中的阻止本领，氦气的慢化效率和最终正电子束的能量分散等重要参数，并检验模拟程序。

慢正电子能量为eV至几十keV，作为一种新型探针，它的应用领域包括材料表面科学研究以及粒子物理方面研究。目前效率最高的正电子慢化方法是以固态惰性气体层作为慢化体，其中氖的效率最高。由于氦具有更高的电离能，且正电子与氦气相互作用的电子偶素形成截面较小，另外，气体的密度易控、系统和操作较简单，基于以上特点，本研究分别从模拟和实验方面研究将氦气应用于正电子慢化的可行性，期望通过本研究发展出一种更方便应用、慢化效率也比较高的正电子慢化方法，并将类似方法推广应用到更重要的缪子束流慢化中。.模拟方面，基于蒙特卡罗模拟软件G4beamline研究正电子和缪子慢化过程。在研究过程中，引入了磁镜辅助提高正电子慢化效率的新思路和想法。本研究详细模拟了正电子在磁镜的约束作用下，反复与慢化体发生相互作用，极大地提高了慢化效率。在模拟基础上，设计和加工了一组中心场强为0.1T、磁镜比可达4的磁镜，计划以钨箔作为慢化体验证该新方法。若基于钨箔慢化体的磁镜辅助慢化实验验证成功，将可以应用到氦气慢化体，进一步提高慢化效率。此外，模拟研究过程中，还基于Geant4开发了低能量缪子与氦气相互作用的过程并成功接入G4beamline，弥补了Geant4和G4beamline模拟低能量缪子与氦气相互作用的不足。.实验方面，基于氦气加电场的摩擦冷却方法的关键技术难点之一是如何在几mbar至几十mbar氦气中保持kV/cm高电场不打火。本研究通过不同的技术方法抑制打火，其中较为重要的成果是与中科院兰州化物所合作研制在陶瓷环基底上镀类金刚石厚膜电阻（阻值为十兆欧姆量级），且每个厚膜电阻环之间的电阻均一性好于10%。这为下一步研制既抑制打火又可以导走内壁静电的均压环气室打下了基础。