中国散裂中子源试验型Muon源的概念设计及相关技术研究

散裂中子源及其应用研究是目前国际上研究的热点，而依托于散裂中子源建设的muon源在粒子物理、材料科学、生命医学、能源研究等诸多领域中都有重要意义。本课题根据正在建设的中国散裂中子源的统一规划，采用理论模拟对国内拟建的首个试验型muon源装置开展先期概念设计及相关技术进行研究。用多种Monte Carlo模拟程序和仿真模拟软件等进行muon靶的物理设计，优化设计表面muon源的束线布局，探索不同于国际上已有muon源装置布局的CSNS表面muon源建设的可行性。采用先进的小尺寸闪烁体探测器、光电探测器、电子学及数据采集系统、径迹重建理论等技术进行MuSR谱仪的物理设计，建立一台谱仪样机并进行测试，实现国内首台高频率、高计数和正电子位置分辨的MuSR谱仪的初步研制。本课题的研究将为我国试验型muon源的建设以及第二靶站muon源的建设提供依据，为我国实现muon科学的基础研究打下坚实的基础。

本项目实施三年中，我们基于中国散裂中子源高能质子应用区的最新布局规划，完成了常规试验型μ源的概念设计、μSR谱仪的预研制及部分测试，同时提出了加强型μ源、高能脉冲正电子源等多用途粒子源的概念设计。在常规表面μ源方面，我们通过比较不同靶材和靶型表面μ的产率及相应的热量沉积和热应力分析，提出采用60×60×60mm的方形石墨靶作为常规的试验型μ靶的主体。通过大量的束流传输模拟，确定了一个最简化的常规表面μ子源束线，该传输线采用常规磁铁组（二极磁铁、四极磁铁、粒子分离器等）来收集靶产生的表面μ，偏转及传输μ子束至实验终端，最终到达μSR谱仪的μ束流强度可达到1E+5 μ+/s，束斑直径为4cm，角散控制在100 mrad之内，能散约10%，设计参数达到了预期目标。基于常规试验型表面μ源，我们开展了常规μSR谱仪的预设计，方案采用时间性能良好的塑料闪烁体阵列探测μ在样品中衰变的时间，采用闪烁体接光导传输信号到快光电倍增管，使用数据采集卡采集最终的时间信号。通过模拟计算最终确定出闪烁体条的厚度为5mm；长度可以为50-60mm；根据样品室的尺寸，如果时间分辨要达到2.5 ns左右，阵列由100-120路组成，此时闪烁体的宽度为10-12mm。根据模拟结果，对单路探测器的时间性能采用单光子的方法进行了测试，给出了最佳时间分辨为58ps，最差分辨率为2.6ns。. 在本项目的基础上，我们提出了加强型μ子源的概念设计，该方案采用超导螺线管收集和输运μ和π，实现了表面μ强度的显著提高以及高能量衰变μ和低能μ源的共生，其中表面μ的产率可以达到1E+6~7 μ+/s，比常规型高1-2个量级，在实现高强度的μ源基础上，我们通过慢化可以得到能量可变的低能μ源，这对材料的表面和薄膜磁性研究十分重要。同时我们基于常规型表面μ源的设备，提出了MeV脉冲正电子源和相应的高能脉冲正电子谱仪方案，该方案利用行波斩波器来实现脉冲调制的设想，最终可以达到1E+3~4 e+/s的束流强度，以及1ns以内的束团宽度，可以实现对工业器件的在线缺陷检测。 . 本课题的完满完成了我国第一个试验型μ源的概念设计，在完成课题任务的基础上，还创新性地提出了两种多用途粒子源方案，为中国散裂中子源将来建造μ源及多功能应用平台提供了设计蓝本。