采用空心电子束对重离子束的电子冷却实验研究

兰州重离子加速器冷却储存环上的电子冷却装置能够产生空心电子束，电子束的尺寸和密度分布能够调节，理论上预示空心电子束将优于常规的实心电子束，这方面没有系统的实验研究结果。利用现有的条件和实验探测设备，拟建立专门的同步数据采集获取测量系统，采用相同的触发信号，在相同的时间内采集储存环上不同位置不同探测器的数据，建立各参数之间的联系；在主环上研究空心电子束对重离子束的冷却累积过程，优化重离子束累积过程，探索离子束累积的最大值和限制因素；在实验环上研究空心电子束对重离子束长时间冷却后，重离子束密度所能达到的极限；重离子束的衰减过程，获得重离子束的寿命信息；重离子束最终动量分散随离子数的变化规律，探索重离子束的最长存储时间和冷却后动量分散的最小值。检验空心电子束的优缺点，积累实验数据，为电子冷却理论的完善和技术的发展提供依据，推动电子冷却理论和技术的发展，使我国在该领域占有一席之地。

作为冷却储存环用户的物理人员最关心的是以重离子束累积为目标的兰州重离子加速器冷却储存环主环，在一定的时间内能够累积的最大离子数；作为提供高精度重离子束的实验环，最终能够提供的重离子束的最小尺寸和动量分散。本项目在主环上研究了空心电子束对重离子束的冷却累积过程，探索了离子束累积的最大值和限制因素；在实验环上研究了空心电子束对重离子束长时间冷却后，重离子束的衰减过程，获得重离子束的寿命信息；重离子束最终动量分散随离子数的变化规律，探索冷却后重离子束的动量分散的最小值。.本项目主要研究结果：（1）比较了主环中采用空心电子束和实心电子束冷却累积重离子束的累积效率。实验结果表明在保持电子束电流不变的情况下，通过改变电子冷却电子枪的阳极电压和控制极电压比例Ugrid/Uanode，获得不同形状剖面的电子束，多次实验表明，当比例Ugrid/Uanode=0.2左右，这时电子束为部分空心，即边缘电子密度为中心的2倍左右，得到了最高的累积效率。（2）比较了在一定时间内主环中采用空心电子束和实心电子束冷却累积重离子束的最大累积离子数。在主环采用剥离注入模式下，对7MeV/u的12C6+进行了电子冷却下的束流累积实验，在注入线只有8.4μA的束流情况下，在电子冷却的作用下在10秒钟内累积了近4500μA的束流，单位时间束流累积增益达到53，束流提高了535倍，离子数达到1.87×1010。（3）比较了实验环中在空心电子束和实心电子束冷却作用下离子束存储寿命。实验结果表明在空心电子束和实心电子束情况下，电子束的剖面形状对离子束的寿命影响不大。（4）测量了实验环中在空心电子束和实心电子束冷却作用下，冷却后重离子束最小动量分散随存储的离子数的变化。离子束的动量分散随存储离子数的变化过程呈现ΔP/P~Nξ；通过调节注入实验环的离子数，在离子数比较小的情况下，在实验环上用Schottky探测器测量到了7.9×10-6的最小动量分散。.本研究课题检验了空心电子束的优缺点，积累了实验数据，获得了系统的关于空心电子束的冷却过程的定量关系。系统的实验加深了对电子冷却过程的理解，推动了电子冷却理论和技术的发展。.在本研究项目实施期间的实验结果表明：影响兰州重离子加速器冷却存储环主环最大累积离子束流强度和实验环离子束最小动量分散的最主要的因素为：离子束的不稳定性。