使用中心孔 SiC 慢化器进行高效正电子捕获和提取 *
1. 概述
正电子是电子的反物质对应物，其捕获技术对于各种原子、分子和光学实验以及使用正电子群的材料分析是必不可少的。电子线性加速器（LINAC）产生的高强度正电子束的有效捕获将提高实验的质量和通过率，但尚未实际实现。本工作展示了通过使用具有中心孔的碳化硅（SiC）慢化器对基于电子线性加速器的正电子束的有效捕获和提取。正电子束被背反射几何结构中的4H-SiC晶片再减额，然后在具有CF4冷却气体的电磁阱中积累。驱动旋转电场以在空间上压缩累积的正电子，从而能够通过SiC空穴无损地提取正电子。实现了在较高的20%范围内的捕获效率。因此，所提出的采用中心孔SiC慢化器的捕获方案是积累和冷却由电子线性加速器产生的正电子束的实用技术。
2. 样品制备
该演示使用了由电子线性加速器（40MeV，约300W）产生的慢正电子束。将加速的电子束倾倒在钽转换器上，并通过使用排列成网格形状的钨箔组件来调节导出的正电子，以产生慢正电子束。正电子以40赫兹的重复频率形成0.5µs的方形脉冲（反映电子束的结构）。6mT的螺线管场将最大强度约为6×106正电子/秒（2×105正电子/脉冲）和椭圆形（长轴：约10mm，短轴：约5mm）的正电子束磁性传输到基于SiC的正电子陷阱。150eV的传输能通过慢化剂（钨箔）的电压来控制。
通过将SiC器件并入用于缓冲气体阱的电磁阱中，构建了基于SiC的正电子阱。图1（a）显示了存水弯系统的示意图。主要部件包括多环电极、冷却气体（CF4）出口和中心孔SiC除火器。多环电极位于由电磁线圈形成的60mT的均匀磁场中，而气体出口和SiC除火器位于线圈端部（50mT）附近。多环电极是内径为60mm的圆柱形电极的同轴阵列，其中靠近中心的一个电极在方位角方向上分为四部分，以施加90◦ -相移正弦波到电极（旋转电场）。通过向每个电极施加任意电压来形成用于积累正电子的电势配置。通过使用涡轮分子泵和低温泵将捕集器系统的真空维持在1×10−6 Pa的基本压力。
本演示中使用的慢化器是在10mm方形n型4H-SiC（0001）晶片（来自中芯晶研）上制造的。通过使用化学机械抛光来处理晶片表面。晶片的电阻率为15–28mΩ cm，使我们能够向表面施加电压。根据之前的报告，使用未经任何处理的原始晶圆。如图1（b）所示，为了将积聚的正电子从阱下游排出，将四个晶片交错排列成三叶草形状，形成一个中心孔。该孔被设计为2毫米见方，直径小于1毫米的累积正电子穿过该孔而没有颗粒损失。通过使用精度为0.01mm的XYZ线性工作台来调节SiC慢化器（及其中心孔）的位置。
图1（a） 基于SiC的正电子陷阱和用于监测提取的正电子的系统的示意图；（b） 中心孔SiC慢化器的示意图。以三叶草形状排列的四个10mm方形的4H-SiC晶片形成2mm正方形，其用作中心孔。
图2 通过CCD摄像机监测荧光发射的荧光屏上正电子的空间分布。入射束或从阱中提取的束的多个正电子脉冲在60秒的曝光时间内被积分。入射正电子束的轮廓位于（a）阱轴上和（b）阱轴外，SiC慢化器离线。（c）在正轴上和（d）离轴光束和SiC再减额器捕获的正电子的轮廓。在阱操作期间，驱动旋转电场（f=3.66 MHz，Vpp=3.6 V），CF4压力为1.1×10−3 Pa。红色框架勾勒出投射到屏幕上的SiC慢化器的中心孔，并通过慢化器处的磁通密度的平方根与屏幕处的磁通密度的平方根之比放大。
3. 结论
本工作已经证明了基于电子线性加速器的正电子束的有效捕获和通过使用中心孔SiC慢化器提取正电子束。这是通过用CF4气体冷却从SiC中捕获再慢化的正电子来实现的，然后通过使用旋转电场在空间上压缩积累的正电子，然后通过SiC中的孔提取正电子。由于4H-SiC的高再降额效率，在最佳条件下实现了在更高的20%范围内的捕获效率，整个正电子云可以通过SiC中的空穴提取。值得注意的是，基于SiC的正电子陷阱仅适用于捕获脉冲宽度小于几微秒的脉冲束，因为从SiC重新发射的正电子必须以脉冲方式捕获。
因此，基于SiC的陷阱适用于由基于电子线性加速器的设施提供的微秒脉冲正电子束。在应用中，陷阱系统可以作为基于电子线性加速器的正电子束到可控、高质量爆发束的有效转换器，并且当与另一个累加器结合使用时，可以存储大量正电子（109–1010 e+）。
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