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缪子（muon）科学

      缪子（muon）是第二代轻子，质量为105.7 MeV/c2，介于质子和电子之间，是质子质量的1/9，电子质量的207倍，带一个单位电荷（正缪子或者负缪子），自旋为1/2（费米子）。 缪子是不稳定粒子，其半衰期为2.2微秒。缪子的磁矩为质子磁矩的3.18倍。自Carl D. Anderson和Seth Neddermeyer等人于1936年在观察宇宙射线过程中发现缪子以来，缪子科学取得了长足的发展。

图1 缪子科学发展树

世界上的缪子源有两种，一种是宇宙射线产生的，主要应用于地球物理学，如测量火山内部结构，预测火山喷发等，被誉为“看穿大地的眼镜”。一种是依靠加速器产生的，主要应用于材料科学，化学，生物以及核物理等基础科学领域。依靠加速器产生缪子源的基本原理是：高能质子束（数百MeV以上）打靶产生π介子，π介子在很短的时间内（~26 ns）衰变产生缪子。如图2所示。

 2 加速器产生muon源的基本原理

根据π介子衰变的位置的不同，可以分为表面muon，云muon和衰变muon，如图3所示。表面muon（4.12 MeV，29.8 MeV/c）是停在靶表面附近的π介子衰变产生的，它只有正电荷，因为π 负介子在衰变之前就会被捕获，所以不会有带有负电荷的表面muon产生。云muon产生于靶和第一级偏转磁铁之间。衰变muon是π介子在飞行过程中产生的。


图3 表面muon，云muon和衰变muon
表面muon因为它的极化率接近100%，能量单一且得到的束斑小，所以主要应用于μSR技术，用来探测材料内部的微观结构和磁性。衰变muon（μ-） 可以认为是一个重电子，容易被俘获，所以常用于产生缪子X射线，对材料进行无损检测。衰变muon（μ-）还有一个重要应用领域是缪子催化核聚变，因为不需要高温，也被称为冷核聚变。我们实验室目前开展的研究主要是缪子束流设计以及基于表面muon的μSR技术。
 

μSR（ μ Spin Rotation, Relaxation and Resonance ），是μ子自旋转动、弛豫、共振的简称，这种技术主要是利用极化μ衰变产生正电子的空间分布不对称性研究物质的微观结构和磁性的一种技术。表面μ产生后，经过采集、输运，然后打到样品中，在样品中发生衰变，产生正电子，通过测量衰变产生的正电子的非对称性和时间谱，我们就可以得到表面μ在样品中的极化函数，从而探知样品的相关性质。


图4 缪子衰变正电子的非对称性分布

μSR测量方法主要有：TF-μSR (Transverse Field) , LF-μSR (Longitudinal Field), ZF-μSR (Zero Field),RF-μSR (Radio Frequency)和LE-μSR(Low energy)。以下是几种典型测量方法实验示意图和典型谱形：

图5 LF-μSR (Longitudinal Field)，ZF-μSR (Zero Field)纵场和零场测量

图6 TF-μSR (Transverse Field) 横场测量
μSR主要应用于以下几个方面：磁性系统，这是μSR最常用的领域，因为它对磁场及其敏感，可以探测微弱磁场。还有超导材料以及中性或者带电粒子传输也是常用领域，同时它也在半导体、化学、生物等领域有所应用。μSR技术优点主要体现为可探测包括核子所产生的磁场在内的小磁场(~0.1G)；可测量较广的磁场波动频率范围(104~1012Hz)，弥补了NMR和中子散射无法测量到的中间频率段；可应用于任何形态的材料及任何实验条件下，如高温、高压、极低温、强外加电磁场、光辐照、射频场等极端条件；其中LE-μSR (Low Energy μSR)技术还可应用于小尺寸样品，实现单晶、多晶、薄膜等材料的研究。可见，μSR技术研究在诸多领域中具有明显的优越性，有着十分广泛的应用前景。
 

国际上已建成四条缪子束流，即瑞士的Paul Scherrer Institute (PSI)、加拿大的Tri-University Meson Facility (TRIUMF)、英国的ISIS和日本的J-PARC。其中，前两条束流为连续型，后两条为脉冲型。目前正在建设的有中国散裂中子源的EMuS（Experimental Muon Source），韩国的ROAN和美国橡树岭国家实验室的SNS（Spallation Neutron Source），如图7所示。

图7 国际缪子源分布图

中国散裂中子源CSNS（China Spallation Neutron Source）被誉为国之重器“超级显微镜”，是国家“十一五”期间立项、“十二五”期间重点建设的重大科技基础设施，由中国科学院和广东省共同建设，国家批复投资18.8亿元。2006年项目选址于广东省东莞市大朗镇，2007年2月中国科学院和广东省政府，高能所与东莞市政府分别签订了散裂中子源落户东莞共建协议。2011年10月CSNS举行了工程奠基典礼；2014年10月，加速器首台设备——负氢离子源投入安装；2017年7月，快循环同步加速器成功将质子束流加速到设计能量1.6GeV。2017年8月28日，中国散裂中子源（CSNS）首次打靶成功，获得中子束流。这是工程建设的重大里程碑，提前实现了2017年秋天首次获得中子束流的目标。这标志着CSNS主体工程顺利完工，进入试运行阶段。2017年11月达到打靶束流功率的验收指标，并于2018年3月25日通过了工艺鉴定和验收全部完工，正式对国内外用户开放。中国散裂中子源（CSNS）的第一篇用户实验科学成果文章于2018年4月17日在Nano Energy杂志上线。这是CSNS建成以来的第一篇科学研究文章。CSNS通过工艺鉴定和验收后，迅速获得高水平的物理成果，充分表明CSNS已经成为我国中子散射研究和应用最先进的平台,具有十分重要的意义。

图8 中国散裂中子源鸟瞰图

图9 新闻联播报道中国散裂中子源打靶成功
中国散裂中子源整个装置建在13米到18米的地下，工程主要建设内容包括1台8千万电子伏特的负氢离子直线加速器、1台16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、2条束流运输线、1个靶站、首批建设的3台谱仪及相应的配套设施和土建工程。其主要性能参数为：能量1.6 GeV、功率100 kW、频率25Hz、有效脉冲中子通量高达2.0×1016 cm-2s-1。建成后的CSNS将成为世界第四台脉冲式散裂中子源，在材料科学和技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域具有广泛应用前景，将为我国产生高水平的科研成果提供有力支撑，并为解决国家可持续性发展和国家安全战略需求的许多瓶颈问题提供先进平台。
 
中国散裂中子源CSNS的建造为我国开展基于加速器的缪子科学研究提供平台。国内第一个缪子源和第一台μSR谱仪将建在CSNS的高能质子应用区（High Energy Proton Experimental Area，HEPEA）。

 

图10 高能质子应用区和缪子源在CSNS中的分布
我们实验室与中国科学院高能物理研究所（CSNS主导者）开展在缪子科学领域长期合作，参与到缪子源和缪子束流设计，主要负责EMuS中μSR谱仪的搭建。图11是我们谱仪的整体布局图，一套脉冲型μSR谱仪基本部分包含：探测器阵列，电子学和数据获取系统，样品室和外磁场，控制系统、运行监控软件以及数据处理软件等。我们谱仪采用128路（前后各64 路）的阵列式布局，每一路包括塑料闪烁体，光导和光电倍增管。在整体设计的时候，主要考虑以下几个部分：束流管道、样品室（样品支架，低温恒温器）、探测器系统（闪烁体、降能器、光导、光电倍增管）、主磁场（纵场初步定为0~300高斯）。

图11 我们μSR谱仪的整体布局图
目前我们项目进展顺利，已经完成了谱仪的整体设计，电子学设计以及多路探测器的搭建，并完成了单路谱仪系统在英国ISIS缪子束流上的测试。
 
相关链接：
[1] 加拿大(TRIUMF) http://musr.ca/
[2] 瑞士(PSI)  https://www.psi.ch/lmu/
[3] 英国的(ISIS ) https://www.isis.stfc.ac.uk/Pages/Muons.aspx
[4] 日本的(J-PARC) http://www2.kek.jp/imss/msl/
[5] 中国散裂中子源(CSNS) http://csns.ihep.ac.cn/