极化3He系统的主磁场线圈优化

摘要

原子核自旋极化的3He气体被深度研究并广泛用于各种科学实验。极化的3He 气体可以作为等效的极化中子靶用来研究中子与带电粒子或光子的反应；极化的3He 气体还可以用于探测超越标准模型的新相互作用，譬如测量极化3He的核磁共振（NMR）频率的频移大小可以定量地探测自旋相关的新相互作用强度，通过测量极化 3He气体的弛豫时间也能够研究自旋相关的新相互作用；此外，极化的3He气体可以应用于磁强计和核磁共振成像（MRI）等领域；最后，因为极化 3He原子核对中子的吸收截面与两者自旋取向的高度相关性，所以高度极化的3He 气体也可以作为中子自旋过滤器用于中子极化和极化分析。目前，三大国内中子源CMRR、CARR、CSNS都在开展这种基于极化 3He的中子极化及极化分析技术的研究。 极化 3He实验中，3He的极化弛豫过程是保持和限制其极化率的关键因素。在过去的极化 3He实验中，为了减小磁场梯度对纵向弛豫时间的影响，获得弛豫时间长达数百小时的极化 3He 气体，通常会使用大尺寸的亥姆霍兹线圈来提供磁场中心区域均匀度达到 10?4 cm?1的主磁场环境。为了获得足够的磁场均匀性，有的磁场系统尺寸甚至超过了1.5m，各种实验从实用性和便宜性均希望有小的磁场构型。本文工作搭建了基于四正方形 Merritt 线圈的3He 气体极化系统，磁场系统的长度～0.5 m，截面边长～0.4 m。理论计算与实验测量均证明了该磁场拥有足够的区域满足10?4 cm?1的均匀度要求。 用于电子散射实验的3He容器，其气室长度可达40 cm，即使使用Merritt构型的磁场线圈，装置长度也将超过 1m。本文进一步设计出磁场均匀区域比例更大的线圈构型。通过计算优化得到了新的适用于小型 3He 极化装置的六正方形线圈系统，其中线圈系统内部超过 30%的区域磁场梯度满足√|?Bx|2+|?Bx|2/B0<10?4 cm?1，这一均匀区域比例超过了现在所有用于极化 3He实验的线圈装置，为未来应用于电子散射实验的极化 3He实验装置的小型化提供了条件。

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