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美国和中国物理学家研究使用电子脉冲冷却离子束

电子脉冲 离子束 射频
发布:2021-01-19 10:13:43    


脉冲测试台:中国兰州的CSRm离子存储环。(礼貌:IMP)

美国和中国的物理学家研究了如何使用脉冲电子束冷却高能离子束–通常由连续的电子束完成的任务。由美国托马斯·杰斐逊国家加速器设施的Max Bruker领导的研究人员与中国科学院现代物理研究所(IMP)的团队一起,对连续电子束电子冷却系统进行了改进,使其能够以脉冲模式运行。他们的结果表明,应该可以使用脉冲电子束冷却高能离子束,这对于设计下一代离子存储环的物理学家来说是个好消息。

在低至中能量下加速和存储质子和离子束的存储环设施使用一种称为“电子冷却”的技术来防止其束降解。这涉及将离子与电子束合并,两个电子束以大致相同的速度移动。随着时间的流逝,离子与电子交换动量,直到达到平衡。这样可以将离子冷却下来,防止它们从离子束中心散开。

通常,使用具有高达4.3 MeV能量的连续电子束来完成此操作。但是,使用静电场加速电子的技术局限性意味着,要以更高的能量产生连续的电子束非常困难。这对诸如美国的电子离子对撞机等未来存储环的设计人员构成了挑战,后者将需要能量高达50 MeV或更高的电子束。

射频场

为了获得更高的能量,电子束使用射频(RF)场进行加速,从而产生脉冲束。最近,美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机安装了第一台脉冲电子冷却系统,该系统以约2 MeV的适度电子能量运行。

使用计算机模拟进行的研究表明,脉冲电子束和连续电子束的冷却效果是不同的,因此,在更高能量的下一代设备中实施脉冲冷却之前,必须进行实验研究,这一点很重要。

Jefferson Lab和IMP的物理学家于2012年首次合作,研究如何将脉冲电子束用于冷却。在2016-2019年之间,他们在兰州IMP的重离子研究设施的CSRm存储环上进行了四个脉冲束冷却实验。他们没有使用射频系统来加速电子的冷却,而是修改了现有的连续电子束系统来传递电子脉冲。然后,研究人员测量了冷却后的离子束在横向和纵向上如何随时间演变。

至关重要的是,研究小组的实验表明,由于电子束长度不均匀而引起的横向加热,离子可能会丢失,从而突出了对具有高度稳定特性的电子束的需求。但是,如果可以可靠地保持束的时间和长度,则它们相互作用的离子束的动力学不会受到其非连续性的不利影响。现在的结果为新一代离子环设备铺平了道路,该设备能够以比以往更高的能量来冷却离子束。

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