正电子源的制作方法.docx

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专利名称:正电子源的制作方法
技术领域:
本发明涉及一种正电子源。
所述正电子源有大量的应用,尤其在固体物理,材料科学和表面物理领域,在这些领域中,对于许多应用,高的计数率是非常重要的,例如,扫描正电子显微镜、根据植入深度或多普勒增宽的寿命测量、以及正电子湮没诱导俄歇电子谱法(PositronannihilationinducedAugerE1ectronSpectroscopyPAES)。
本发明的其它应用直接使用电子偶素原子(电子偶素指一个电子和一个正电子的束缚状态)。但是,产生电子偶素也需要大量的正电子。
本发明还可应用于分子化学,以及更具体地,应用于在具有高临界温度的超导材料中涉及的处理的确定。
本发明同样可用于油画和衣料的老化能力的确定。
而且,因为已知正电子湮没对电子密度很敏感,所以本发明也可应用于检测材料中的缺陷。例如,当材料热膨胀时,可以检测到这种电子密度的细小变化。因为空穴(也就是晶体材料中晶格中的单个原子缺失造成的空位)的电子密度低,所以很容易检测到它们。可观察到10-6(1ppm)量级的空穴原子位置的密度。
因为由缺少正电子的射束分析材料,材料要加热到很高的温度。空穴位置也可以在任何温度下通过机械变形,喷射或者离子植入产生。
可调的正电子束能量是一种获得薄层或者缺陷非均匀分布样品结构的深入信息的办法,它可以得到10%的分辨率。
而且,微电子器件(例如MOS)的氧化物中的电场可用来使正电子在研究界面上发生偏移。
。
观测电子偶素的形成证实了较宽的空穴的存在,也可测定空穴的尺寸(大到20纳米)。
对于更大的空穴,正交电子偶素(一种电子偶素的状态,其中电子和正电子的旋转反向平行)存活了足够长时间可以分解为三个光子。这种情况下,光子的角度相关性使得多普勒增宽增加5倍。
请注意本发明所述正电子源还有其它的应用,如-PRS(正电子再发射波谱学);-PAES(正电子湮没诱导俄歇电子波谱学);-REPELS(再次发射的正电子能量损失波谱学);-LEPD(低能量正电子衍射);-PIIDS(正电子诱导离子解吸附波谱学);-PALS(正电子湮没寿命波谱学),所述技术在微电子学中极为重要;-VEPLS(可变能量正电子寿命波谱学);-PAS(正电子湮没波谱学)。
本发明尤其涉及低能量正电子束的产生,所述的电子束能量小于10兆电子伏特,瞬时强度大于1010个正电子每秒,以及优选地大于1012个正电子每秒。例如,-耦合一个合适的捕获阱来获得能量小于10千电子伏特的低能量正电子束。
-与一个合适的捕获阱相互作用来获得电子偶素原子。
背景技术:
以高速率(大于1010每秒)产生低能量正电子和电子偶素“原子”对工业应用很有必要,如,当例如使用正电子湮没波谱学(PositronAnnihilationSpectroscopyPAS)或者其它上述办法时测量晶体或者有机材料的缺陷。
这些应用主要使用22Na作为正电子束产生源。这些接触源很适宜用来做实验室研究。但是它们最大的放射性大约是4×。
当然,存在一些放射性很小的生产正电子束的加速器。但是它们大都体积大而且安装价格昂贵,因为使用的电子能量常常是几十兆电子伏特,通常为100兆电子伏特。发射的正电子可能需要几十兆电子伏特的能量。
而且,在工业应用中有用的正电子需要的动能小于产生阀值的能量至少一千倍。按照惯例,很低效率的金属减速剂()被用来减速正电子。
此外,怎么在被称为Penning-Malmberg阱的装置中捕获正电子束已经为人们熟知。一种改进的装置称为Greaves-Surko
阱,通过千倍地分割正电子束的散射散射来极大地增加了正电子束的亮度,其有效性量级为1。
Greaves-Surko阱可以从第一点科学公司(FirstPointScientificCompany)购买。它们包含固体氖减速剂,效率接近1%。
这些捕获阱非常有利于上面提到的应用,并且因为这些阱的出现,这些应用才被广泛的使用,但是其中的正电子能量必须小于1兆电子伏特。
此外,已知四种技术可以产生正电子。这些技术使用放射性源(22Na),核反应堆产生的中子流,串列式加速器(用于加速离子),或者电子加速器。
现在我们来检查这些技术的缺点。
目前,放射性源产生的正电子受限于围绕材料的厚度。而且,这种源发射的正电子束的强度只有108e+/s量级,因此经过减速剂后只有106e+/s量级。
利用核反应堆产生的中子流提供了一种获得短寿命的放射性源的方法。这种放射源能够产生低能量的正电子。但是,这种技术因为需要核反应堆不能工业化。
一种已有技术的变种由以下部分构成使用一个串列式加速器加速离子射向目标靶,该目标靶变得具有放射性并且发射出低能量的正电子。尽管串列式加速器比传统的粒子加速器要小,它还是一个大而贵的装置,它需要防辐射保护和一个维修基础设施。
大的线性加速器,简称为Linacs,通过加速电子射向钨或者钽目标靶,也可用于产生正电子。但是这些大的线性加速器是非常庞大和昂贵的装置,并且没有足够多的数量来推动上述的的正电子应用的发展。
让我们重新考虑已知的相互作用腔,所述腔包含一个能通过和电子束相互作用产生正电子的目标靶。
为了从电子(表示为e-)束产生正电子(表示为e+),这些电子必须和目标靶材料相互作用。于是电子发射X和γ光子,有时分解为电子对(e+e-)。
因为产生的正电子数量依赖于和目标靶材料相互作用的电子数量,技术领域:
的熟练人员决定使用与大型线性加速器产生的相同强度的电子束。
因为电子束产生的正电子e+数量和目标靶的厚度成正比增长,技术领域:
的熟练人员将倾向于增加目标靶的厚度。
但出现了两个问题。
第一,X射线以热能的形式在目标靶上淀积能量。
第二,产生的正电子e+会被目标材料捕获并且在脱离目标靶前湮灭。这种湮灭可根据两种作用发生,称为直接和电子碰撞或形成电子偶素原子。
自然地,技术领域:
的熟练人员将把厚的目标靶和高能加速器联合使用。
第二个问题对用于粒子物理实验产生高能正电子e+(大于10兆电子伏特)的系统影响不大,因为高能量的正电子e+不会湮灭,具体说它不会形成电子偶素。而且,工业应用需要的正电子必须是很低的能量,在正电子产生到脱离目标靶的途中形成电子偶素会损耗大量的正电子e+。
相反,第一个问题在高能量时变得很不利。对于给定量的目标材料上淀积的热量,一个100兆电子伏特的电子束发生器和一个10兆电子伏特的电子束发生器产生相同数量的“有用”正电子——能量小于或等于1兆电子伏特。
举例说明,首先考虑已有技术,100兆电子伏特的加速器以90°角向1mm×1cm2的目标靶发射电子,其次考虑本发明一个实施例提出的10兆电子伏特的加速器以3°角向50μm×1cm2的目标靶发射电子。淀积相同的热量在目标靶上,产生相似数量的有用正电子e+,100兆电子伏特的电子束发生器将消耗50千瓦能量,而10兆电子伏特的电子束发生器只消耗10千瓦。相差的40千瓦被浪费了,而且需要接收系统以热能的形式导出。
为了利用产生的正电子中的大部分,一些大型装置在目标靶后面使用钨减速片,可能还结合使用合适的电场,象美国加州的LawrenceLivermore国家实验室,丹麦奥尔胡斯大学的
RingStorageFacilities学院。但是,这种装置吸收了大量的正电子,或者说,它限制了射束强度。
发明内容
本发明的目的在于克服上面所述的缺点。
为此,本发明提供了一种正电子源,该正电子源包括产生电子束的装置和目标靶(28),其中目标靶包含一个大体平坦的表面,所述目标靶被设计成以预定的入射角在该大体平坦的表面上接收电子束,其中该预定的入射角相对于该大体平坦的表面来计算,以及通过与该电子束相互作用来产生正电子,所述正电子源的特征在于,产生的电子束是连续的或者准连续的,电子能量在10兆电子伏量级,目标靶的厚度小于500μm,以及预定入射角小于10°。
根据本发明的一个正电子源的优选实施例中,目标靶的厚度在10μm到100μm范围内,预设的入射角在2°到5°的范围内。
优选地,述产生电子束的装置产生连续的射束,并且包含电子加速器(20),所述电子加速器包含一个共轴的空腔,其中电子在与该空腔的轴线垂直的中间平面上穿过该空腔多次。
这种电子加速器被称为“Rhodotron”(一种已注册商标),在下述文献中有描述
相应于US5107221A的FR2616032A。
在根据本发明的另一优选实例中,本发明还包括正电子和电子之间的分类装置,其中电子没有与该目标靶相互作用,所述分类装置包括-第一磁装置(26),其轴线靠近射束的轴线并且穿过该目标靶的平面,这些第一磁装置(26)被设计用来产生磁场,该磁场使得由该目标靶发射的正电子分散,这些第一磁装置被放置在距该目标靶的输入端合适的距离处;-四极磁体(30),用于聚焦正电子射束,所述四极磁体的轴线和所述第一磁装置的轴线相同,该四极磁体(30)被放置在该目标靶的输出端,以及该四极磁体(30)被设计来使正电子射束的截面成圆形,所述正电子射束从电子和该目标靶相互作用区域输出时是非常平坦的;-第一停止装置(32),位于该第一磁装置(26)的轴线上并且在距该四极磁体(30)的输出端足够长的距离处,使得正电子聚焦成具有圆形截面的射束,所述第一停止装置被设计用来阻止在电子束中没有与该目标靶相互作用的电子;-第二磁装置(36),其沿着与该第一磁装置相同的轴线,放置在距该第一停止装置(32)的输出端合适的距离处,使得产生能够使正电子会聚的磁场,所述的第一磁装置和第二磁装置共同作用来产生能够防止这些正电子碰到第一停止装置(32)的磁场。
根据本发明的正电子源的另一优选实施例中,正电子源还包括捕获装置,所述的捕获装置用于捕获目标靶产生的正电子。
捕获装置包括减速剂和收集正电子的电磁装置,其中减速剂用来使正电子减速。
这些捕获装置可以由Greaves-Surko阱构成,,(2002)90.
优选地,根据本发明的正电子源还可以包括-第二停止装置,例如利用水循环冷却的石墨墙。该装置用于阻止电子束中没有和目标靶相互作用、并且到达了第二磁装置和捕获装置之间区域的电子,防止这些电子到达捕获装置。
-引导正电子穿过第二停止装置射向捕获阱的装置。
在阅读了根据附图的示例性实施例的详细描述之后,将更容易理解本发明,其中所述示例性实施例仅仅用于指导,而决非限定性的,在附图中图1A和图1B是根据本发明的正电子源的一个特定实施例的示意图;以及图2是使用在图1的正电子源中的目标靶的示意性剖视图。
具体实施方式
本发明主要以薄的目标靶和电子束的相互作用为基础,其中目标靶优选钨制成,以及电子束以掠入射直接打在该目标靶上。
优选地,目标靶的厚度可在10μm到100μm范围内变化,例如等于50μm;电子束和目标靶间的角度可以在2°到5°的范围内,例如等于3°。
本发明是一种通过低能量(10兆电子伏特)电子束产生低能量
(小于1兆电子伏特)正电子的方法,其中低能量电子由操作在连续模式下的电子源发射。由于这种特性,电子源可以采用Rhodotron(已注册商标)——一种小体积低消耗的工业机器(最大10kW射束功率)。
上面提到的两个问题限制了已知系统生产正电子的生产能力。本发明通过减少淀积在目标靶上的热量来扩展这些限制。最后,本发明能更高效率的收集生成的e+。
概略的说,在已知系统中,e-以相对目标靶平面90°角发送(或者较大的角度,如45°)。在本发明中,e-以相对目标靶平面的掠入射角发送,通常为是3°。这种独特的构造和已知系统相比有一些好处。
发明者观测到对于同样数量的穿过目标靶的电子,当入射角是3°时,;对于相同的等效厚度(直线横跨距离相同),在3°时至少生成相同数目的低能e+;当升高相同的温度,在3°情况下生成的e+数量大约是2倍。
现在,考虑生成的e+的收集效率。
一旦e+产生并从目标靶中提取,它们必须从电子束中分离出来。因为电子束具有很高能量,和收集e+的装置不匹配。
而且,为了使用正电子e+,它们必须在空间聚集。在已有的系统中,这两个限制是以大量损耗正电e+作代价获得的。
再次,使用掠入射(如3°)射束射向薄的目标靶可以高效率的收集正电子e+,把它们从电子e-中分离出来。其中薄目标靶可以是