电子束在RHIC处保持离子冷却

加速器物理学家已经展示了一种开创性的技术，使用一束电子来保持相对论重离子对撞机(RHIC)的粒子束冷却 - 美国能源部科学办公室用户设施在布鲁克海文国家实验室进行核物理研究。这种“聚束”电子冷却技术将在RHIC上实现更高的粒子碰撞率，科学家们研究碰撞碎片，了解大爆炸后存在的物质构建块。

布鲁克海文的加速器团队正在测试对撞机最低能量的方法 - 数据稀缺的制度对于理解充满早期宇宙的粒子如何转化为构成我们今天世界的普通物质至关重要。

“低能耗条件实际上对这种技术来说是最具挑战性的，”布鲁克海文实验室的加速器物理学家阿列克谢·费多托夫说道，他领导了这项工作，并有近100人的团队实现了这一目标。

“现在我们已经证明bunched- 束 冷却在最具挑战性的能源形势，它打开了在包括能源，在未来可能的电子-离子对撞机高应用这些相同的原则的可能性，”他说。

征服挑战

这一成就建立在俄罗斯物理学家Gersh Budker刚刚在50多年前发明的一个想法上，即使用一束电子(本质上比以相同速度移动的较大粒子更冷)从一束较大粒子中提取热量。这使粒子紧密堆积并且更容易碰撞。但布鲁克海文的版本包括一系列先进的成就和创新，即使是该领域的专家也可以这么快就能成功。

“需要克服许多物理和工程方面的挑战，”费多托夫指出。

该团队必须建造和调试一种适用于RHIC隧道的最先进的电子加速器，其中包括使用更紧凑的射频(RF)加速技术，而不是使用的标准直流(DC)方法。所有以前的电子冷却装置。而且由于RHIC的离子作为周期性的一束粒子而不是连续的流而循环，所以电子必须以与这些束相匹配的脉冲产生 - 不仅在时间上而且在能量和轨迹上 - 同时保持其内在的凉爽。另外，因为RHIC实际上是两个加速器，离子束在两个beampipes中以相反的方向移动，物理学家必须弄清楚如何用相同的电子流冷却两个光束!

LEReC系统的示意图，其中包括加速器科学的许多重大进展。当来自RHIC隧道外部的激光装置的光照射到独特的直流(DC)光电阴极枪的光电阴极时，它产生一束电子，然后通过超导射频(SRF)腔加速并输送到RHIC的冷却部分。在这里，冷电子与一个RHIC环中的RHIC离子束精确匹配，然后另一个，以提取热量并保持离子紧密堆积，以最大化碰撞率。图片来源：布鲁克海文国家实验室

“否则我们将不得不建造两个这样的电子加速器，”费多托夫说。

“它实际上是由许多复杂元件组成的巨大装置，包括100米光束线，其中加速电子与一个RHIC光束中的离子一起传播以提取其热量，然后进行180度旋转以冷却另一个RHIC光束的离子向相反的方向移动。以前从未做过!“

产生电子

为了产生并快速加速这些精密电子束，该团队使用激光激活光电阴极电子枪，然后加速射频腔。该枪使用高频高功率激光器和布鲁克海文设计的光电阴极，在布鲁克海文仪器部门的真空室中一次12个地运输到RHIC隧道。一旦进入RHIC，真空室就像摩天轮一样旋转，当RHIC运行时，它们在磨损时切换出光电阴极，当RHIC的访问受限时，使枪能够以高电流运行以进行长期操作。

“当我们第一次谈到这个设计时，在2015年，这只是一幅画!” 费多托夫说。“现在我们经常使用它。”

触发光电阴极发射电子脉冲的绿色激光器也是同类产品中的第一款 - 由单根光纤激光器产生的最高平均功率绿色激光器。激光脉冲的精确对准和修整控制了为冷却而产生的电子束的频率。

激光和光电阴极枪于2017年5月产生了第一个电子脉冲。然后，在2017年底调试前7米的光束线(加速器的注入器)后，该团队安装了100米的光束线，包括5个射频腔和直线2018年1月，他们用几层磁屏蔽覆盖了冷却部分。然后他们去年投入了全电子加速器。

Collider-Accelerator Department真空组的成员位于阴极插入装置(l至r)旁边：Mike Nicoletta，Kirk Sinclair和Ken Decker。图片来源：布鲁克海文国家实验室

保持冷静

“主要的挑战是提供具有冷却所需的所有特性的光束 - 意味着在所有方向上具有小的相对速度，具有匹配的能量和小的角度 - 然后沿着100米的光束传输线传播这种非常低能量的电子束，同时保持那些属性，“领导调试工作的加速器物理学家Dmitry Kayran说。

Kayran描述了用于优化光束参数的模拟工作，这些参数指导了光束监测仪器的安装，这反过来决定了RF加速腔的位置。

“由于加速，光束质量会恶化，因此需要进行这种监测和仔细调整，以尽可能降低能量传播，”Kayran说。

“用于低能耗RHIC电子冷却(LEReC)的冷却部分的设计是独一无二的，”加速器物理学家Sergei Seletskiy说道，他领导了这一部分工作。“在两个RHIC环的这些冷却部分保持光束质量是一项挑战，而且这个项目首次证明了这一点。

“我们项目的许多独特功能和挑战都与这样一个事实有关，即50年来我们首次将电子冷却直接应用于离子碰撞能量，”他指出。“看到所有这些结合在一起，并用聚束电子束和两个对撞环同时冷却离子是惊人的。这是加速器物理学的一项重大成就!”

下一步将表明冷却增强了明年RHIC低能量碰撞中的碰撞率 - 然后提取数据及其揭示的物质构建块。

利用现在在布鲁克海文实验室进行实验验证的成束电子冷却技术，其在高能冷却方面的应用可以通过生产高质量的强子束开辟新的可能性，这些强子束是未来几个加速器物理项目所必需的，包括所提出的电子离子对撞机(EIC)。

LEReC由美国能源部科学办公室资助，受益于布鲁克海文实验室的Collider-Accelerator部门和仪器部门的许多人的帮助和专业知识，以及费米国家加速器实验室，阿贡国家实验室，托马斯杰斐逊国家加速器设施的贡献，以及康奈尔大学。