极化电子源相关关键技术研究

极化束流的对撞是未来高能物理发展的一个重要方向，以国际直线对撞机ILC和紧凑型直线对撞机CLIC为首的下一代大型对撞机在物理设计上都要求实现极化束流的对撞。目前国内在极化电子源领域内与国际先进水平存在较大的差距，同时考虑到需要适时的为后BEPC时代在该领域内累积相关的技术储备，开展极化电子源的相关关键技术研究变得越来越迫切。本课题将在充分调研和国际合作的基础上，开展极化电子源的设计研究，旨在掌握极化电子源的关键技术，如高极化度高量子效率光阴极材料的研制、直流高压光阴极电子枪的设计、超高真空工艺的实现等。此外，本课题还将对在BEPC上实现极化电子束流与非极化正电子束流对撞的可行性进行相关的分析研究，为今后在BEPC上开展极化束流的研究奠定一定基础。极化电子源是一项技术含量很高的工作，涉及到材料技术、超高真空技术、强脉冲激光技术等等，希望通过该课题的研究，学习国际先进水平，提升国际竞争能力。

极化电子源可以直接发射出极化电子束，是获得束流极化非常有效的方法。目前国际和国内的极化电子源大都是以GaAs 类的半导体晶片作为光阴极材料，高量子效率、长寿命的GaAs光阴极对于极化电子源至关重要。本课题首先结合高能所500kV光阴极直流高压电子枪实验平台，设计完成整套GaAs制备系统，并成功开展了GaAs类光阴极的制备实验研究，通过优化制备工艺，采用Cs/O共沉积的激活方法，成功获得了最高量子效率达到8%的GaAs光阴极材料。课题还开展了极高真空获得的实验研究，采用钛金属材料真空室的极限真空达到3×10-10Pa。实验结果表明采用低出气率材料钛金属加工的真空室在同等抽速真空泵的情况下获得的极限真空要好于采用不锈钢材料的真空室。另外，开展了GaAs光阴极在极高真空环境中的暗室寿命研究，结果表明在10−10Pa真空环境中GaAs光阴极量子寿命要远好于10−8Pa真空环境中的量子寿命。.. 作为课题另外一个研究内容，开展了极化束流物理的相关研究。基于PTC程序建立起了高能环形加速器平衡态极化度和极化建立时间的计算程序，并采用两种不同的算法来计算束流平衡极化度。第一种类似于SLIM方法，通过计算自旋和轨道运动的线性化的单圈映射，来获取自旋闭轨和自旋色品在全环的分布，从而通过D-K公式来计算平衡极化度。另一种方法则是通过Monte Carlo方法模拟退极化效应，计算退极化时间，从而得到平衡极化度和极化建立时间。除此之外，本课题还研究了在BEPCII上实现纵向极化束流的可能性。研究结果表明，由于隧道空间的限制，在不大幅改变加速器的几何结构的前提下，BEPCII磁聚焦结构中没有足够的空间来加入自旋旋转器，无法获得纵向极化束流。另外一种可能则是在和对撞点相距180度的位置安装一个西伯利亚蛇，从而使对撞点处的束流极化沿纵向。然而，这种情况下Sokolov-Ternov效应被完全抑制，而自旋退极化效应则被加强，极化建立时间会远小于束流寿命，从而使得平衡极化度仍然很小。总之，还没有找到合适的方法来在BEPCII上实现纵向束流极化。