Ловушка буферного газа
Ловушка буферного газа ( БГТ ) — это устройство, используемое для эффективного накопления ) при минимизации потери позитронов (античастиц электронов позитронов из-за аннигиляции , которая происходит, когда электрон и позитрон сталкиваются , и энергия преобразуется в гамма-лучи . BGT используется для различных исследовательских целей, особенно тех, в которых используются специально адаптированные позитронные газы, плазма и/или импульсные лучи. Примеры включают использование BGT для создания антиводорода и молекулы позитрония .
Конструкция и эксплуатация
[ редактировать ]Схематическая конструкция БГТ представлена на рис. 1. [1] [2] Он состоит из специально сконструированной электромагнитной ловушки типа Пеннинга или Пеннинга-Мальмберга . [2] Позитроны удерживаются в вакууме внутри электродной структуры, состоящей из стопки полых цилиндрических металлических электродов, таких как показанный на рис. 2. Однородное аксиальное магнитное поле препятствует движению позитронов в радиальном направлении, а напряжения, приложенные к концевым электродам, предотвращают осевые потери. Такие ловушки известны своими хорошими свойствами удержания частиц (таких как позитроны) одного знака заряда. [3]
Учитывая, что ловушка рассчитана на хорошее удержание, остается задача эффективно заполнить устройство. В БГТ это достигается с помощью серии неупругих столкновений с молекулярным газом. При столкновении позитрон-молекула аннигиляция гораздо менее вероятна, чем потеря энергии из-за электронного или колебательного возбуждения. БГТ имеет ступенчатую потенциальную яму (рис. 1) с областями постепенного понижения давления газа. Электронное возбуждение молекулярного азота (N 2 ) в области самого высокого давления используется для захвата позитронов. Этот процесс повторяется до тех пор, пока частицы не окажутся в среде с достаточно низким давлением и время аннигиляции не станет достаточно продолжительным. Частицы охлаждаются до температуры окружающего газа за счет неупругих колебательных и вращательных столкновений.
Эффективность ловушки обычно составляет 5–30%, но может достигать 40%. [4] Образование позитрония (Ps) путем перезарядки (например, e + + Н 2 -> Н 2 + + Ps) — это серьезный процесс потерь. Молекулярный азот используется потому, что он уникален тем, что имеет уровень электронной энергии ниже порога образования Ps; следовательно, это предпочтительный улавливающий газ. [5] Точно так же тетрафторид углерода (CF 4 ) и гексафторид серы (SF 6 ) имеют очень большие сечения колебательного возбуждения, поэтому эти газы используются для охлаждения до температуры окружающей среды (обычно ~ 300 К). [6]
В то время как большинство источников позитронов производят позитроны с энергией от нескольких килоэлектронвольт (кэВ) до более 500 кэВ, БГТ полезен только для частиц с гораздо более низкой энергией (т.е. меньше или равной десяткам электронвольт). [4] Таким образом, позитроны высоких энергий из таких источников инжектируются в поверхности материалов (так называемые замедлители позитронов), в которых они теряют энергию, диффундируют к поверхности и переизлучаются с энергиями электронвольт. [4] В качестве замедлителя для BGT выбран твердый неон (коэффициент преобразования ~ 1%). [7] ), застывший на холодной металлической поверхности.
Время жизни на последней стадии захвата ограничено аннигиляцией и обычно меньше или равно 100 секундам, что ограничивает общее количество захваченных позитронов. Если требуется большее количество частиц, позитроны переносятся в ловушку Пеннинга-Мальмберга сверхвысокого вакуума (СВВ) в магнитном поле в несколько Тесла . Аннигиляция в СВВ незначительна. Охлаждение позитронов (необходимое для борьбы с нагревом из-за внешних эффектов) теперь происходит за счет испускания циклотронного излучения в большом магнитном поле. [4] Этот процесс накопления и передачи затем можно повторить для создания более крупных коллекций антиматерии .
История и использование
[ редактировать ]BGT был изобретен в 1980-х годах и первоначально предназначался для изучения транспорта позитронов в плазме токамака (синтеза) . [8] Впоследствии этот метод был усовершенствован и теперь используется в лабораториях по всему миру для различных целей. Они включают изучение взаимодействий позитронов с атомами и молекулами , материалами и поверхностями материалов; [9] [10] [11] [12] создание антиводорода , [13] [14] [15] [16] молекула позитрония (т.е. Ps 2 , e + и − и + и − ), [17] и новый позитрон [18] и позитрониевые пучки. [19] Ожидается, что BGT также будут играть столь же важную роль в усилиях по созданию и изучению бозе-эйнштейновских конденсатов атомов позитрония (БЭК). [20] и классическая электрон-позитронная «парная» плазма . [4] [21] [22]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сурко, СМ; Пасснер, А.; Левенталь, М.; Высоцкий, Ф.Дж. (17 октября 1988 г.). «Связанные состояния позитронов и больших молекул». Письма о физических отзывах . 61 (16). Американское физическое общество (APS): 1831–1834 гг. doi : 10.1103/physrevlett.61.1831 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10038909 .
- ^ Jump up to: а б Мерфи, Ти Джей; Сурко, CM (1 октября 1992 г.). «Захват позитронов в электростатической яме за счет неупругих столкновений с молекулами азота». Физический обзор А. 46 (9). Американское физическое общество (APS): 5696–5705. дои : 10.1103/physreva.46.5696 . ISSN 1050-2947 . ПМИД 9908819 .
- ^ Дубин, Дэниел Х.Э.; О'Нил, ТМ (1 декабря 1998 г.). «Захваченная ненейтральная плазма, жидкости и кристаллы (состояния теплового равновесия)». Обзоры современной физики . 71 (1). Американское физическое общество (APS): 87–172. Бибкод : 1999РвМП...71...87Д . дои : 10.1103/revmodphys.71.87 . ISSN 0034-6861 .
- ^ Jump up to: а б с д и Дэниэлсон, младший; Дубин, DHE; Гривз, Р.Г.; Сурко, CM (17 марта 2015 г.). «Плазменные и ловушки в науке о позитронах» . Обзоры современной физики . 87 (1). Американское физическое общество (APS): 247–306. дои : 10.1103/revmodphys.87.247 . ISSN 0034-6861 .
- ^ Марлер, JP; Сурко, CM (21 декабря 2005 г.). «Ионизация позитронным ударом, образование позитрония и сечения электронного возбуждения двухатомных молекул». Физический обзор А. 72 (6). Американское физическое общество (APS): 062713. doi : 10.1103/physreva.72.062713 . ISSN 1050-2947 .
- ^ Марлер, JP; Сурко, CM (8 декабря 2005 г.). «Систематическое сравнение позитронно- и электронного возбуждения колебательной моды ν 3 CF 4 ». Физический обзор А. 72 (6). Американское физическое общество (APS): 062702. doi : 10.1103/physreva.72.062702 . ISSN 1050-2947 .
- ^ Миллс, AP; Гулликсон, Э.М. (27 октября 1986 г.). «Твердый неоновый замедлитель для получения медленных позитронов». Письма по прикладной физике . 49 (17). Издательство АИП: 1121–1123. дои : 10.1063/1.97441 . ISSN 0003-6951 .
- ^ CM Surko и др., Позитронная ловушка - новый инструмент для физики плазмы, в позитронных исследованиях твердых тел, поверхностей и атомов: симпозиум в честь 60-летия Стефана Берко, под редакцией JAP Mills, WS Crane и KF Canter ( World Scientific, 1984), с. 222-233.
- ^ Шульц, Питер Дж.; Линн, КГ (1 июня 1988 г.). «Взаимодействие пучков позитронов с поверхностями, тонкими пленками и интерфейсами». Обзоры современной физики . 60 (3). Американское физическое общество (APS): 701–779. дои : 10.1103/revmodphys.60.701 . ISSN 0034-6861 .
- ^ Гидли, Дэвид В.; Пэн, Хуа-Ген; Валлери, Ричард С. (2006). «Аннигиляция позитронов как метод характеристики пористых материалов». Ежегодный обзор исследований материалов . 36 (1). Годовые обзоры: 49–79. дои : 10.1146/annurev.matsci.36.111904.135144 . ISSN 1531-7331 .
- ^ Сурко, СМ; Грибакин, Г.Ф.; Бакман, SJ (9 марта 2005 г.). «Низкоэнергетические взаимодействия позитронов с атомами и молекулами». Журнал физики B: атомная, молекулярная и оптическая физика . 38 (6). Издательство IOP: R57–R126. дои : 10.1088/0953-4075/38/6/r01 . ISSN 0953-4075 . S2CID 15031194 .
- ^ Грибакин, Г.Ф.; Янг, Дж.А.; Сурко, CM (14 сентября 2010 г.). «Взаимодействие позитрон-молекула: резонансное присоединение, аннигиляция и связанные состояния». Обзоры современной физики . 82 (3). Американское физическое общество (APS): 2557–2607. arXiv : 1009.4069 . дои : 10.1103/revmodphys.82.2557 . ISSN 0034-6861 . S2CID 43961983 .
- ^ Габриэль, Г.; Боуден, Н.С.; Оксли, П.; Спек, А.; Стори, Швейцария; Тан, Дж. Н.; Вессельс, М.; Грзонка, Д.; Олерт, В.; Шеперс, Г.; Сефзик, Т.; Уолц, Дж.; Питтнер, Х.; Хэнш, ТВ; Хессельс, Е.А. (31 октября 2002 г.). «Безфоновое наблюдение холодного антиводорода с полевым ионизационным анализом его состояний» . Письма о физических отзывах . 89 (21). Американское физическое общество (APS): 213401. Бибкод : 2002PhRvL..89u3401G . дои : 10.1103/physrevlett.89.213401 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 12443407 .
- ^ Аморетти, М.; Амслер, Дж.; Бономи, Г.; Баухтер, А.; Боу, П.; Карраро, К.; Сезар, CL; Чарльтон, М.; Коллиер, MJT; Дозер, М.; Филиппины, В.; Хорошо, КС; Фонтана, А.; Фудзивара, MC; Фунакоши, Р.; Генуя, П.; Хангст, Дж.С.; Хаяно, РС; Хольцшайтер, Миннесота; Йоргенсен, Л.В.; Лагомарсино, В.; Ландуа, Р.; Линделёф, Д.; Риццини, Э. Лоди; Макри, М.; Мэдсен, Н.; Мануцио, Г.; Марчесотти, М.; Монтанья, П.; Прюс, Х.; Регенфус, Дж.; Ридлер, П.; Роше, Дж.; Ротонди, А.; Руло, Г.; Тестера, Г.; Вариола, А.; Уотсон, ТЛ; ван дер Верф, ДП (18 сентября 2002 г.). «Получение и обнаружение холодных атомов антиводорода» . Природа . 419 (6906). Спрингер Природа: 456–459. Бибкод : 2002Natur.419..456A . дои : 10.1038/nature01096 . ISSN 0028-0836 . PMID 12368849 . S2CID 4315273 .
- ^ Ахмади, М.; Алвес, BXR; Бейкер, CJ; Берче, В.; Батлер, Э.; Капра, А.; Каррут, К.; Сезар, CL; Чарльтон, М.; Коэн, С.; Коллистер, Р.; Эрикссон, С.; Эванс, А.; Эветтс, Н.; Фаянс, Дж.; Фризен, Т.; Фудзивара, MC; Гилл, доктор медицинских наук; Гутьеррес, А.; Хангст, Дж.С.; Харди, Западная Нью-Йорк; Хайден, Мэн; Исаак, Калифорния; Исида, А.; Джонсон, Массачусетс; Джонс, ЮАР; Джонселл, С.; Курчанинов Л.; Мэдсен, Н.; Мазерс, М.; Максвелл, Д.; Маккенна, JTK; Менари, С.; Мичан, Дж. М.; Момосе, Т.; Мюнхен, Джей-Джей; Нолан, П.; Ольчанский, К.; Олин, А.; Пуса, П.; Расмуссен, К. О.; Робишо, Ф.; Сакраменто, Род-Айленд; Самид, М.; Сарид, Э.; Сильвейра, DM; Страчка, С.; Статтер, Г.; Итак, Ц.; Тарп, Т.Д.; Томпсон, Дж. Э.; Томпсон, Род-Айленд; ван дер Верф, ДП; Вюртеле, Дж.С. (2017). «Наблюдение перехода 1S–2S в захваченном антиводороде» . Природа . 541 (7638). Спрингер Природа: 506–510. Бибкод : 2017Natur.541..506A . дои : 10.1038/nature21040 . hdl : 1828/11655 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 28005057 .
- ^ Андресен, Великобритания; Ашкезари, доктор медицинских наук; Бакеро-Руис, М.; Берче, В.; Боу, PD; Батлер, Э.; Сезар, CL; Чарльтон, М.; Деллер, А.; Эрикссон, С.; Фаянс, Дж.; Фризен, Т.; Фудзивара, MC; Гилл, доктор медицинских наук; Гутьеррес, А.; Хангст, Дж.С.; Харди, Западная Нью-Йорк; Хаяно, РС; Хайден, Мэн; Хамфрис, Эй Джей; Хидомако, Р.; Джонселл, С.; Кемп, СЛ; Курчанинов Л.; Мэдсен, Н.; Менари, С.; Нолан, П.; Ольчанский, К.; Олин, А.; Пуса, П.; Расмуссен, Дж. О.; Робишо, Ф.; Сарид, Э.; Сильвейра, DM; Итак, Дж.; Стори, Дж.В.; Томпсон, Род-Айленд; в. дерверф, ДП; Рутс, Дж.С.; Ямадзаки, Ю. (2011). «Удержание антиводорода в течение 1000 секунд». Физика природы . 7 (7): 558–564. arXiv : 1104.4982 . Бибкод : 2011NatPh...7..558A . дои : 10.1038/nphys2025 . ISSN 1745-2473 . S2CID 17151882 .
- ^ Кэссиди, Д.Б.; Миллс, AP (2007). «Производство молекулярного позитрония». Природа . 449 (7159). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 195–197. Бибкод : 2007Natur.449..195C . дои : 10.1038/nature06094 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 17851519 . S2CID 11269624 .
- ^ Натисин, М.Р.; Дэниэлсон, младший; Сурко, CM (11 января 2016 г.). «Криогенно охлажденный позитронный пучок со сверхвысоким энергетическим разрешением и ловушкой». Письма по прикладной физике . 108 (2). Издательство AIP: 024102. doi : 10.1063/1.4939854 . ISSN 0003-6951 . S2CID 124168387 .
- ^ Кэссиди, Дэвид Б. (2018). «Экспериментальный прогресс в лазерной физике позитрония» . Европейский физический журнал Д. 72 (3). Springer Nature: 53. doi : 10.1140/epjd/e2018-80721-y . ISSN 1434-6060 .
- ^ Миллс, Аллен Пейн (2002). «Образование молекул позитрония, конденсация Бозе-Эйнштейна и вынужденная аннигиляция». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 192 (1–2). Эльзевир Б.В.: 107–116. дои : 10.1016/s0168-583x(02)00790-5 . ISSN 0168-583X .
- ^ Сунн Педерсен, Т; Дэниэлсон, младший; Хугеншмидт, К; Маркс, Г; Сарасола, X; Шауэр, Ф; Швейхард, Л; Сурко, СМ; Винклер, Э. (16 марта 2012 г.). «Планы создания и исследования электрон-позитронной плазмы в стеллараторе» . Новый журнал физики . 14 (3). Издательство IOP: 035010. doi : 10.1088/1367-2630/14/3/035010 . ISSN 1367-2630 .
- ^ Стенсон, EV; Ниссль, С.; Хергенхан, У.; Хорн-Станья, Дж.; Сингер, М.; Сайто, Х.; Педерсен, Т. Сунн; Дэниэлсон, младший; Стоункинг, MR; Дикманн, М.; Хугеншмидт, К. (5 декабря 2018 г.). «Инжекция позитронов без потерь в магнитную дипольную ловушку». Письма о физических отзывах . 121 (23). Американское физическое общество (APS): 235005. doi : 10.1103/physrevlett.121.235005 . hdl : 21.11116/0000-0002-A5DE-A . ISSN 0031-9007 . ПМИД 30576193 . S2CID 58620546 .