研究堆慢正电子源原理验证装置实验技术研究

As a nondestructive detection method for defects in atomic scale, slow positron beam technology have been widely used in the field studying the surface of materials and thin-film materials. But the constraints, limiting the development of the slow positron beam, are positron intensity and quality. Now, positron source based on reactors is an efficient way to obtain high-intensity and high-quality slow positron beam. In this study, we focus on and plan to overcome the key technologies in positron source and beam accomplishing. Based on the research reactor, the neutron experiments will be taken in the beam principle set-up, acquiring the important performance parameters of this facility accurately. Specifically, the efforts and results in research will provide experiences and technical knowledge on constructing our first reactor-based positron beam at CAEP in future. It is then beneficial to improve the efficiency of the spectrometers, expanding the application of positron annihilation spectroscopy technique in materials science.

慢正电子束流技术是一种有效表征原子尺度缺陷的无损测量方法，广泛应用于材料浅表面和薄膜材料中微观缺陷性质的研究中。目前，束流的强度和品质限制了慢正电子束流技术的发展及其应用。基于反应堆的慢正电子源是获得高强度、高品质束流的有效途径，国际上已经建成了多套这样的装置。基于绵阳研究堆，本项目拟深入研究并攻克正电子源研制和反应堆束流构建中的关键技术问题；搭建束流原理样机完成中子束流实验，获取样机的重要性能参数，为未来建成我国首台反应堆慢正电子强束流提供基础数据和关键技术支撑。同时，由此带来的束流后端谱仪性能的提升也将有利推进正电子湮没谱学在材料科学领域中的拓展。

慢正电子束流技术是一种有效表征原子尺度缺陷的无损测量方法，广泛应用于材料浅表面和薄膜材料中微观缺陷性质的研究中。束流的强度和品质限制了慢正电子束流技术的发展及其应用。基于反应堆的慢正电子源是获得高强度、高品质正电子束流的有效途径，国际上已经建成了多套这样的装置。基于绵阳研究堆，项目对堆慢正电子源研制和反应堆束流构建中的基础物理问题和关键技术问题进行深入研究，主要研究内容包括：1）转换靶性能影响关键机理研究；2）正电子高效引出、聚焦、传输的关键影响因素研究；3）束流原理样机设计、安装、调试、性能评估。取得的主要研究成果以及关键数据如下：1）为获得中子-正电子最大转化效率，镉-钨靶最优厚度分别为0.5 mm和0.3 mm，转化效率最大为1.58%。2）研究了影响慢正电子从网状慢化体引出、聚焦、传输的关键因素：电极电压、电极数量、各电极之间的相对位置、束流能量、束流发散度等，研究表明经过合理的电压分配可将150 mm的初始束斑压缩到22 mm，聚焦效率可达90 %以上。3）完成了束流原理样机的设计、加工、安装，主要考虑的因素包括转换靶/聚集电镜结构设计、磁场输运设计、真空系统设计、屏蔽体计算以及各部分结构的定位设计等。4）利用电子束模拟正电子束的方法完成了样机系统性能的评估实验，实验结果显示束流样机能够实现对初始直径150 mm束流5倍以上空间聚焦能力，同时整体输运效率可达90%。在CMRR堆环境下，在水平孔道M3，慢正电子强度估计为0.53E9 e+/s；在垂直孔道Si-doping，慢正电子强度估计为2.78E9 e+/s。项目对研究堆慢正电子源的产生、聚焦、输运的全过程模拟方法的建立以及束流原理样机的设计、搭建、性能调试，有助于突破研究堆慢正电子束流研制过程中的关键技术问题，将为构建研究堆慢正电子强束流提供可参考的研究经验和大量的基础研究数据。