버퍼 가스 트랩

Buffer-gas trap

완충가스 트랩(BGT)은 전자와 양전자가 충돌해 에너지가 감마선으로 전환될 때 발생하는 전멸로 인한 양전자 손실을 최소화하면서 양전자(전자의 대립자)를 효율적으로 축적하는 장치다.BGT는 다양한 연구 용도, 특히 특별히 맞춤화된 양전자 가스, 플라스마 및/또는 펄스 빔의 혜택을 받는 용도로 사용됩니다.예를 들어 BGT를 사용하여 항수소 및 포지트로늄 분자를 만드는 것이 포함된다.

그림 1. 양전자를 축적하는 3단 BGT: (위) 전극 구조 및 (아래) 0.15T 자기장의 방향에 따른 전위왼쪽에서 입사한 양전자는 먼저 N개 분자의 전자2 들뜸(A, B, C)에 의해 포착되어 냉각되며, 다음으로 CF(N2)와의4 비탄성 진동(회전) 충돌에 의해 냉각된다.
그림 2. 1996년 경의 3단 BGT용 전극 구조(금 도금, 길이 1.7m).

설계 및 운용

BGT의 도식설계는 그림 [1][2]1과 같다.특수 설계된(페닝 또는 페닝-멀버그) 유형의 전자기 [2]트랩으로 구성됩니다.양전자는 그림2와 같이 중공의 원통형 금속전극 더미로 이루어진 전극구조 내의 진공상태로 한정되어 있으며 균일한 축방향 자기장은 양전자의 운동을 방사적으로 억제하고 단부 전극에 인가되는 전압은 축방향 손실을 방지한다.이러한 트랩은 단일 [3]전하의 입자(양전자 등)에 대한 양호한 구속 특성으로 유명합니다.

적절한 구속을 위해 설계된 트랩을 사용할 경우 남은 과제는 장치를 효율적으로 채우는 것입니다.BGT에서 이는 분자 가스와의 일련의 비탄성 충돌을 사용하여 달성됩니다.양전자-분자 충돌에서 소멸은 전자적 또는 진동적 들뜸에 의한 에너지 손실보다 훨씬 적다.BGT에는 단계별 전위 우물(그림 1)이 있어 가스 압력이 연속적으로 낮아지는 영역이 있습니다.양전자를 포획하기 위해 최고압 영역에서의 분자 질소(N2)의 전자 들뜸을 사용한다.이 과정은 입자가 충분히 저압 환경에 있고 소멸 시간이 허용 가능할 정도로 길어질 때까지 반복됩니다.입자는 비탄성 진동 및 회전 충돌로 인해 주변 가스 온도로 냉각됩니다.

트랩 효율은 보통 5~30%이지만 최대 [4]40%가 될 수 있습니다.전하교환(예를+ 들어 e+N->N+Ps22+)에 의한 포지트로늄(Ps) 형성은 큰 손실 과정이다.분자 질소는 Ps 형성에 대한 역치보다 낮은 전자 에너지 수준을 갖는 것이 독특하기 때문에 사용된다. 따라서 질소는 [5]선택되는 트랩 가스이다.마찬가지로 사불화탄소(CF4)와 육불화황(SF)6은 진동 들뜸 단면이 매우 크기 때문에 주위 온도(일반적으로 약 300K)[6]까지 냉각하는 데 사용됩니다.

대부분의 양전자 선원은 몇 킬로 전자볼트(keV)에서 500 keV 이상 범위의 에너지를 가진 양전자를 생성하는 반면, BGT는 훨씬 더 낮은 에너지 입자(즉, 수십 개의 [4]전자볼트 이하)에만 유용하다.따라서 그러한 선원의 고에너지 양전자는 에너지를 잃고 표면으로 확산되어 전자볼트 [4]에너지로 재방출되는 물질 표면(이른바 양전자 조절기)에 주입된다.BGT의 진행자는 차가운 금속 표면에 동결된 고체 네온(~ 1% 변환 효율)입니다.

최종 포획 단계의 수명은 소멸에 의해 제한되며 일반적으로 100초 이하이며, 이는 포획된 양전자의 총 수를 제한한다.더 큰 입자 수가 필요한 경우 양전자는 여러 테슬라 자기장의 초고진공(UHV) 페닝-말렘버그 트랩으로 이동됩니다.UHV에서는 소멸이 무시할 수 있습니다.양전자 냉각(외인성 효과로 인한 가열 방지에 필요)은 이제 큰 [4]자기장에서의 사이클로트론 방사 방출에 기인합니다.이 축적 및 이행 프로세스를 반복하여 더 많은 반물질 컬렉션을 구축할 수 있습니다.

이력 및 용도

BGT는 원래 토카막 플라스마의 [8]양전자 수송을 연구하기 위해 1980년대에 발명되었다.그 후, 이 기술은 개량되어 현재는 전 세계 연구소에서 다양한 용도로 사용되고 있습니다.여기에는 원자 및 분자, 물질 및 [9][10][11][12]물질 표면과의 양전자 상호작용 연구, [13][14][15][16]반수소, 양전자 분자(즉2 Ps, eee+−+−),[17] 새로운[18] 양전자 및 양전자 [19]빔의 생성 등이 포함된다.BGT는 또한 포지토늄 원자 보스-아인슈타인 응축물(BEC)[20]과 고전적인 전자-양전자 "쌍" 플라스마를 [4][21][22]만들고 연구하려는 노력에서도 유사하게 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Surko, C. M.; Passner, A.; Leventhal, M.; Wysocki, F. J. (17 October 1988). "Bound states of positrons and large molecules". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 61 (16): 1831–1834. doi:10.1103/physrevlett.61.1831. ISSN 0031-9007. PMID 10038909.
  2. ^ a b Murphy, T. J.; Surko, C. M. (1 October 1992). "Positron trapping in an electrostatic well by inelastic collisions with nitrogen molecules". Physical Review A. American Physical Society (APS). 46 (9): 5696–5705. doi:10.1103/physreva.46.5696. ISSN 1050-2947. PMID 9908819.
  3. ^ Dubin, Daniel H. E.; O’Neil, T. M. (1 December 1998). "Trapped nonneutral plasmas, liquids, and crystals (the thermal equilibrium states)". Reviews of Modern Physics. American Physical Society (APS). 71 (1): 87–172. Bibcode:1999RvMP...71...87D. doi:10.1103/revmodphys.71.87. ISSN 0034-6861.
  4. ^ a b c d e Danielson, J. R.; Dubin, D. H. E.; Greaves, R. G.; Surko, C. M. (17 March 2015). "Plasma and trap-based techniques for science with positrons". Reviews of Modern Physics. American Physical Society (APS). 87 (1): 247–306. doi:10.1103/revmodphys.87.247. ISSN 0034-6861.
  5. ^ Marler, J. P.; Surko, C. M. (21 December 2005). "Positron-impact ionization, positronium formation, and electronic excitation cross sections for diatomic molecules". Physical Review A. American Physical Society (APS). 72 (6): 062713. doi:10.1103/physreva.72.062713. ISSN 1050-2947.
  6. ^ Marler, J. P.; Surko, C. M. (8 December 2005). "Systematic comparison of positron- and electron-impact excitation of the ν3 vibrational mode of CF4". Physical Review A. American Physical Society (APS). 72 (6): 062702. doi:10.1103/physreva.72.062702. ISSN 1050-2947.
  7. ^ Mills, A. P.; Gullikson, E. M. (27 October 1986). "Solid neon moderator for producing slow positrons". Applied Physics Letters. AIP Publishing. 49 (17): 1121–1123. doi:10.1063/1.97441. ISSN 0003-6951.
  8. ^ C. M. Surko 등양전자 트랩 - 고체, 표면 및 원자의 양전자 연구에서 플라즈마 물리학을 위한 새로운 도구:J. A. P. Mills, W. S. Crane, K. 편집 Stephan Berko의 환갑을 축하하는 심포지엄.F. 캔터(세계과학, 1984), 페이지 222-233.
  9. ^ Schultz, Peter J.; Lynn, K. G. (1 June 1988). "Interaction of positron beams with surfaces, thin films, and interfaces". Reviews of Modern Physics. American Physical Society (APS). 60 (3): 701–779. doi:10.1103/revmodphys.60.701. ISSN 0034-6861.
  10. ^ Gidley, David W.; Peng, Hua-Gen; Vallery, Richard S. (2006). "Positron Annihilation as a Method to Characterize Porous Materials". Annual Review of Materials Research. Annual Reviews. 36 (1): 49–79. doi:10.1146/annurev.matsci.36.111904.135144. ISSN 1531-7331.
  11. ^ Surko, C M; Gribakin, G F; Buckman, S J (9 March 2005). "Low-energy positron interactions with atoms and molecules". Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. IOP Publishing. 38 (6): R57–R126. doi:10.1088/0953-4075/38/6/r01. ISSN 0953-4075.
  12. ^ Gribakin, G. F.; Young, J. A.; Surko, C. M. (14 September 2010). "Positron-molecule interactions: Resonant attachment, annihilation, and bound states". Reviews of Modern Physics. American Physical Society (APS). 82 (3): 2557–2607. arXiv:1009.4069. doi:10.1103/revmodphys.82.2557. ISSN 0034-6861. S2CID 43961983.
  13. ^ Gabrielse, G.; Bowden, N. S.; Oxley, P.; Speck, A.; Storry, C. H.; Tan, J. N.; Wessels, M.; Grzonka, D.; Oelert, W.; Schepers, G.; Sefzick, T.; Walz, J.; Pittner, H.; Hänsch, T. W.; Hessels, E. A. (31 October 2002). "Background-Free Observation of Cold Antihydrogen with Field-Ionization Analysis of Its States". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 89 (21): 213401. Bibcode:2002PhRvL..89u3401G. doi:10.1103/physrevlett.89.213401. ISSN 0031-9007. PMID 12443407.
  14. ^ Amoretti, M.; Amsler, C.; Bonomi, G.; Bouchta, A.; Bowe, P.; Carraro, C.; Cesar, C. L.; Charlton, M.; Collier, M. J. T.; Doser, M.; Filippini, V.; Fine, K. S.; Fontana, A.; Fujiwara, M. C.; Funakoshi, R.; Genova, P.; Hangst, J. S.; Hayano, R. S.; Holzscheiter, M. H.; Jørgensen, L. V.; Lagomarsino, V.; Landua, R.; Lindelöf, D.; Rizzini, E. Lodi; Macrì, M.; Madsen, N.; Manuzio, G.; Marchesotti, M.; Montagna, P.; Pruys, H.; Regenfus, C.; Riedler, P.; Rochet, J.; Rotondi, A.; Rouleau, G.; Testera, G.; Variola, A.; Watson, T. L.; van der Werf, D. P. (18 September 2002). "Production and detection of cold antihydrogen atoms". Nature. Springer Nature. 419 (6906): 456–459. Bibcode:2002Natur.419..456A. doi:10.1038/nature01096. ISSN 0028-0836. PMID 12368849. S2CID 4315273.
  15. ^ Ahmadi, M.; Alves, B. X. R.; Baker, C. J.; Bertsche, W.; Butler, E.; Capra, A.; Carruth, C.; Cesar, C. L.; Charlton, M.; Cohen, S.; Collister, R.; Eriksson, S.; Evans, A.; Evetts, N.; Fajans, J.; Friesen, T.; Fujiwara, M. C.; Gill, D. R.; Gutierrez, A.; Hangst, J. S.; Hardy, W. N.; Hayden, M. E.; Isaac, C. A.; Ishida, A.; Johnson, M. A.; Jones, S. A.; Jonsell, S.; Kurchaninov, L.; Madsen, N.; Mathers, M.; Maxwell, D.; McKenna, J. T. K.; Menary, S.; Michan, J. M.; Momose, T.; Munich, J. J.; Nolan, P.; Olchanski, K.; Olin, A.; Pusa, P.; Rasmussen, C. Ø.; Robicheaux, F.; Sacramento, R. L.; Sameed, M.; Sarid, E.; Silveira, D. M.; Stracka, S.; Stutter, G.; So, C.; Tharp, T. D.; Thompson, J. E.; Thompson, R. I.; van der Werf, D. P.; Wurtele, J. S. (2017). "Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen". Nature. Springer Nature. 541 (7638): 506–510. Bibcode:2017Natur.541..506A. doi:10.1038/nature21040. ISSN 0028-0836. PMID 28005057.
  16. ^ Andresen, G. B.; Ashkezari, M. D.; Baquero-Ruiz, M.; Bertsche, W.; Bowe, P. D.; Butler, E.; Cesar, C. L.; Charlton, M.; Deller, A.; Eriksson, S.; Fajans, J.; Friesen, T.; Fujiwara, M. C.; Gill, D. R.; Gutierrez, A.; Hangst, J. S.; Hardy, W. N.; Hayano, R. S.; Hayden, M. E.; Humphries, A. J.; Hydomako, R.; Jonsell, S.; Kemp, S. L.; Kurchaninov, L.; Madsen, N.; Menary, S.; Nolan, P.; Olchanski, K.; Olin, A.; Pusa, P.; Rasmussen, C. Ø.; Robicheaux, F.; Sarid, E.; Silveira, D. M.; So, C.; Storey, J. W.; Thompson, R. I.; v. derWerf, D. P.; Wurtele, J. S.; Yamazaki, Y. (2011). "Confinement of Antihydrogen for 1,000 Seconds". Nature Physics. 7 (7): 558–564. arXiv:1104.4982. Bibcode:2011NatPh...7..558A. doi:10.1038/nphys2025. ISSN 1745-2473. S2CID 17151882.
  17. ^ Cassidy, D. B.; Mills, A. P. (2007). "The production of molecular positronium". Nature. Springer Science and Business Media LLC. 449 (7159): 195–197. Bibcode:2007Natur.449..195C. doi:10.1038/nature06094. ISSN 0028-0836. PMID 17851519. S2CID 11269624.
  18. ^ Natisin, M. R.; Danielson, J. R.; Surko, C. M. (11 January 2016). "A cryogenically cooled, ultra-high-energy-resolution, trap-based positron beam". Applied Physics Letters. AIP Publishing. 108 (2): 024102. doi:10.1063/1.4939854. ISSN 0003-6951. S2CID 124168387.
  19. ^ Cassidy, David B. (2018). "Experimental progress in positronium laser physics". The European Physical Journal D. Springer Nature. 72 (3): 53. doi:10.1140/epjd/e2018-80721-y. ISSN 1434-6060.
  20. ^ Mills, Allen Paine (2002). "Positronium molecule formation, Bose–Einstein condensation and stimulated annihilation". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. Elsevier BV. 192 (1–2): 107–116. doi:10.1016/s0168-583x(02)00790-5. ISSN 0168-583X.
  21. ^ Sunn Pedersen, T; Danielson, J R; Hugenschmidt, C; Marx, G; Sarasola, X; Schauer, F; Schweikhard, L; Surko, C M; Winkler, E (16 March 2012). "Plans for the creation and studies of electron–positron plasmas in a stellarator". New Journal of Physics. IOP Publishing. 14 (3): 035010. doi:10.1088/1367-2630/14/3/035010. ISSN 1367-2630.
  22. ^ Stenson, E. V.; Nißl, S.; Hergenhahn, U.; Horn-Stanja, J.; Singer, M.; Saitoh, H.; Pedersen, T. Sunn; Danielson, J. R.; Stoneking, M. R.; Dickmann, M.; Hugenschmidt, C. (5 December 2018). "Lossless Positron Injection into a Magnetic Dipole Trap". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 121 (23): 235005. doi:10.1103/physrevlett.121.235005. hdl:21.11116/0000-0002-A5DE-A. ISSN 0031-9007. PMID 30576193.