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为生产高强度钫束而对热离子发生器进行的改良

刘珊  
【摘要】:基本粒子的非零永久电偶极矩(EDM)的存在意味着宇称(P)和时间反演(T)对称性同时被破坏,因此,EDM的探索成为了T–破坏探索实验的前沿。假设CPT对称性不变,T的破坏也就意味着CP破坏,而CP破坏则是解释宇宙中观测到的物质–反物质不对称现象的关键。 标准模型预言的电子EDM的幅度小于10-38e·cm,这远远低于目前实验能够达到的标准。然而,许多超出标准模型的新物理模型却预言了更大的电子EDM值(1026~1030e·cm),从而可以被正在进行以及计划进行的实验所验证。 由于电子的EDM在重原子中会被增值,因此,钫(Fr)作为最重的碱金属原子是研究电子EDM的合适之选。在我们的实验中,我们利用熔合反应:18O+197Au→210Fr+5n生成钫。18O束在通过日本东北大学“回旋加速器和放射性同位素中心(CYRIC)”的AVF型回旋加速器加速后的能量为100兆电子伏。这一能量值略高于库仑势垒,选择这个能量是为了最大限度地提高Fr的生成效率。18O束从45度角轰击到被加热到接近其熔点值的197Au上。反应后产生的钫原子扩散到金的表面,然后在热电离的作用下以原子和离子的形式从金表面逸出。热电离产生的钫离子束由提取电极提取,然后再由两个单静电透镜聚焦到放置在热离子发生器上方的半导体探测器(SSD)。以这种方式我们得到了106Fr+/s的产量。然而,为了达到EDM测量的灵敏度,我们还需要更大数量的Fr+离子。因此,从热离子发生器中(Thermal Ionizer)生产出高强度钫束是非常关键的。 静电透镜系统在运输Fr+离子束的过程中起着十分重要的作用。离子的传输质量和传输效率在很大程度上都决定于静电透镜系统的结构。在我们的实验中,我们需要将生成的Fr+离子束运输到距离金靶约11米之外的磁光阱(MOT)处。因此,我们期望能够从热离子发生器中得到一束发散度小且平行于传输线中心轴的离子束。要得到平行的离子束需要至少五个透镜的组合,因为只有五个或五个以上透镜的组合才能使平行进入透镜系统的离子束在离开透镜系统时仍保持平行。 为了改良热离子发生器,我们首先对粒子在静电透镜系统中的传输做了模拟。模拟中我们使用了进行静电透镜分析的模拟软件——SIMION。我们用五个透镜组合的系统取代了以往的两个单透镜系统,并修改了提取电极和透镜系统的几何形状,从而获得发射度和截面尺寸都很小的离子束,提高了提取和运输离子束的效率。 我们对热离子发生器做了如下的改良:首先,我们将提取电极的形状由原来的圆锥形改为了圆球形;其次,我们将置放金靶的靶杆开口角从56度变到了82度,将金样本和提取电极的距离从15mm变到了14.6mm,将金靶和透镜系统之间的距离从51mm调整到了110mm;最后,我们将原有的两个单透镜的组合变成了五个透镜的组合。在做了以上改进之后,模拟得到的离子束发散度由原来的36.1mm*mrad减小到了18.3mm*mrad,离子束截面的直径由原来的31.2mm减小到了的10.1mm,与此同时,离子的传输效率从原来的61%提高到了94%。 基于以上改良措施,我们制作了新的热离子发生器,并用铷(Rb)束对改良的热离子发生器的工作情况进行了检测。实验结果与SIMION软件的模拟结果在很大程度上是一致的。因此,我们可以相信SIMION的模拟结果是非常可靠的,并可以将其用于预测和寻找静电透镜系统中各电极的最佳电压比。利用改良后的热离子发生器我们将离子传输率从50%提高到了91.4%。我们将这项提高归功于离子束发散度的改良。


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