2.1 μSR技术的原理
μSR是μ子自旋/弛豫/共振技术（Muon Spin Rotation/Relaxation/Resonance）的简称，即利用μ子的自旋一致的特性注入样品，观察其在样品中自旋和弛豫等，来研究物质内部磁场结构的一种全新的技术手段。μ子被注入样品之后，样品内部结构等的磁场会对其自旋运动产生一定的影响。通过探测到其自旋的变化，进而可以反推回去得到内部结构。μSR在物理、化学和材料科学得以广泛的应用，主要集中在材料领域。20世纪70年代开始大规模建造的质子加速器为μ束线的建造和μSR的应用奠定了基础。
在第一部分第1.1节中提到了μ子三体衰变后正电子出射具有方向选择性，越是高能的正电子越倾向于沿着μ子自旋的方向出射。如果准备两个大的正电子探测器，放在样品的前后两侧，如图2-1所示，当μ子注入到样品中去以后，衰变放出正电子将被前后的两个探测器捕获到。如果μ子刚被注入到样品中就衰变了，那么这样的μ子是无法进动的，它衰变释放出来的正电子将主要朝向后半球，被后置探测器阵列（BD）捕获，反之，将被前置探测器阵列（FD）捕获。
图2-1：典型的μSR谱仪的基本布局
在时间t内，被BD捕获的正电子数为Nb (t)，被FD捕获到的正电子数为Nf (t)。Nb (t)和Nf (t)都是随时间逐渐指数衰减的，可以用一个表达式来表达：
其中，N0是t=0（μ子刚注入样品）时刻正电子数量，A0是类似于余弦函数的对称函数（只有x>0的部分），P(t)是极化函数沿探测器方向的投影，T是μ子的平均寿命。定义不对称函数A(t)，
图2-2：μSR测量的不对称函数
考虑到μ子弛豫，A(t)为
2.2 不同类型的μSR谱仪
在实际应用中，存在两种形式的μSR谱仪外磁场设置，即施加横向磁场或纵向磁场（不施加磁场视为纵向磁场的特例），分别称为TF-μSR和LF-μSR（无磁场为ZF-μSR），三者的示意图如图2-3所示。有的μSR谱仪可能会兼顾多种外磁场设置。
（a）TF-μSR 示意图（磁场垂直于μ子自旋方向但平行于μ子束流方向）
（b）LF-μSR示意图（磁场沿着μ子自旋方向）
（c）ZF-μSR示意图（不施加任何磁场）
图2-3：不同的μSR实验设置
另外，μ子源分为脉冲型μ子源和连续型μ子源（由其质子加速器的类型决定），因此针对这两种源，μSR谱仪也存在两种类型[4]。这两者在设备的区别在于T0时间的触发：（1）连续型μ子源由于缪子的零时由放置在探测器前的触发器触发，正电子被探测器探测后触发恒比定时甄别器（CFD）给出结束时间，对μ子的衰变为逐个探测，若前一个的μ子还没衰变而后面的μ子已经衰变，则无法侦知是哪个μ子衰变，因此连续型μ子源的探测器探测事例数有上限且存在正电子本底；（2）脉冲型μ子源的谱仪其T0由质子束流提供，结束时间由CFD或者LED（前沿定时甄别器）给定，由于脉冲型μ子源的μ子是以束团的形式进入探测器的，因此会给出多个终止信号。脉冲型μ子源前后两个脉冲相距较远，不会存在正电子本底，受T0精度限制，其谱仪能探测到的磁场下限较连续型μ子源较高。两种探测器的电子学如图2-4所示。
图2-4：两种不同μ子源的μSR谱仪的电子学设计
（左：连续μ子源；右：脉冲μ子源）
正在运行的μ子源中，ISIS μ子源和J-PARC/MUSE为脉冲型μ子源，TRIUMF/CMMS、PSI/SμS和RCNP/MuSIC为连续μ子源。
参考文献：
[1]. “Introduction to μSR：Muon Spin Rotation/Relaxation” by Elvezio Morenzoni, website: https://www.psi.ch/lmu/EducationLecturesEN/MuonSpinRotation-An-Introduction-print-em-2012.pdf
[2] μSR Brochure. https://musr.ca/intro/musr/muSRBrochure.pdf
[3] “The technique "µSR" - Muon Spin Rotation, Relaxation or Resonance: A research tool using muons as sensitive local magnetic probes in matter” by Alex.Amato https://www.psi.ch/sites/default/files/import/lmu/EducationLecturesEN/A_Amato_last_version.pdf
[4] 潘子文. μSR谱仪样机设计与搭建[D]. 2019.
