新型极化正电子源的理论与模拟研究

The next generation electron-positron colliders need polarized positron sources with high performance-cost ratio. Among the three main methods, use circular-polarized gamma rays from helical undulators can achieve the highest yield, but need giant linacs and thus will be extremely expensive. Compton backscattering or direct bombardment method are cheaper, but in China, there is no practical facility yet. On the other hand, polarized positron annihilation spectroscopy plays a unique role in solid state physics and material science, but the traditional positron sources based on radioisotope have achieved their performance bottleneck. The research and development of high performance polarized positron source based on accelerators is then imperative. A cascaded HTR PWFA plasma cell will be used as a super energy and brightness booster for the super tau-charm factory 3.5GeV linac, so a helical undulator can be installed and generate circular-polarized gamma rays. The feasibility of a Compton backscattering gamma ray source and polarized positron source based on HALS 2.0GeV storage ring will be discussed. The research results will not only provide core technologies for future colliders, but also boost the capability of our big science facilities and develop new equipment for scientific research..

当前热点的下一代正负电子对撞机的研究与建设需要高性价比的极化正电子源，现有三种主要方法中，产额最高的螺旋波荡器驱动圆偏振γ光打靶法需要建设巨型直线加速器，成本极高，康普顿背散射或直接法在我国也暂无实际装置；另一方面，极化正电子湮没谱学在固体物理和材料科学中有独特的重要作用，但所使用的基于放射源的传统正电子源品质已达到瓶颈。因此，发展基于加速器的高性能极化正电子源技术势在必行。本项目首先为未来超级tau-charm粒子工厂的3.5GeV直线加速器引入级联HTR等离子体Cell增能器，使得较低能量的束流也可以驱动螺旋波荡器获得圆偏振γ光；其次讨论依托未来合肥先进光源HALS建设高亮度康普顿背散射γ光源、进而获得极化正电子源的可行性。项目的研究成果不仅能够为未来对撞机提供核心的技术储备，而且有望进一步发掘大科学装置潜力、提供科学研究的新装备。

正电子湮没谱学在固体物理和材料科学中有独特的重要作用，但所使用的基于放射源的传统正电子源品质已达到瓶颈；另一方面，当前热点的下一代正负电子对撞机同样需要高性价比的正电子源特别是极化正电子源。因此，发展基于加速器的高性能正电子源、并探索极化正电子源的技术势在必行。现有主要方法中，正电子产额和极化传递效率最高的螺旋波荡器驱动γ光打靶需要超高能量的驱动电子束，成本极高；康普顿背散射法的产额较低；直接电子束打靶法要获得高产额同样需要较高能量，而且国内没有产生极化源的实践经验。综合考虑这些因素，本项目首先探索了基于多级中空等离子体腔提高打靶电子束能量、从而提高正电子产额并优化能谱的理论；研究了正电子打靶的过程，设计了往复运动的水冷方式，比ILC的冷却方案热传导效率更高，自主设计了基于MATLAB的PIC-MCC程序，对电子束打靶的晶格损伤再结晶等过程进行模拟，研究打靶热效应对正电子产额的影响；最后讨论了依托未来合肥先进光源HALF建设高亮度康普顿背散射γ光源、进而获得极化正电子源的可行性。项目的研究成果不仅能够为未来对撞机提供核心的技术储备，而且有望进一步发掘大科学装置潜力、提供科学研究的新装备。