電子冷卻

電子冷卻是在1966年由Budker提出的。

當電子束以相同速度平行於重離子束運動時,將通過庫侖相互作用來減小離子束的Betatron振盪。這是因為輕的電子通過與離子的庫侖散射帶走了極大部分離子能量。所以用電漿物理的語言來描述的話,電子束具有較低的縱向及橫向溫度,當電子束和離子束達到熱平衡時,則離子束被“冷卻”下來了。

基本介紹

• 中文名：電子冷卻
• 外文名：electronic cooling 
• 領域：能源科學技術

冷卻原理

在1983年的美國粒子加速器的聖菲會議上,美國的印第安那一大學回旋加速器實驗室提出了在原來的分離扇加速器後接一個電子冷卻儲存環以提高束流的能量及質量的計畫。這個把高能物理中電子冷卻技術套用到中能加速器里來的大膽而新穎的方案引起了與會者的極大興趣。加速器專家們認為這是繼超導技術之後加速器技術領域中的又一重大進展。它將為做更高水平的核物理實驗開闢廣闊前景。

根據相對論原理,在高能物理實驗中當束流轟擊靜止靶核時其有效作用能為：

其中 為粒子的靜止能量, 為粒子的動能,如果 ,則 顯然有效比要小得多。

為了提高被加速核與靶核之間有效作用能,應使轟擊核與靶核相對於實驗室坐標作方向相反的運動。因而儲存相反電荷的粒子,最後使它們作相對碰撞以達到核反應目的的各種儲存環成為粒子物理實驗中有力的工具。眾所周知,核反應的計數率是等於束猛的亮度與反應截面的乘積。在儲存環中為了提高事件發生的幾率對一定反應截面而言就意味著必須提高束流的亮度。亮度的定義為六維相空間 中粒子電荷密度。對一定的粒子流強來說要提高亮度就必須減小六維相空問的體積。所謂“冷卻”即是指束流所占據的相空間休積的縮小。

但由劉維爾定理可知，只要系統是哈密爾頓的,則粒子所占據的相空間在運動過程中是不變的，例如在任何電磁場中運動,粒子所受的力都將使相體積保持不變。所以要使束流的相空間體積縮小,系統中必須有非哈密爾頓項的力,象摩擦力、擴散、輻射等。如何產生這些非哈密爾頓項力是束流冷卻問題的至要課題,當然從理論上講使束流的六維相空間休積縮小總是可能的。

發展趨勢

由杜布納研究所組織的一次中能電子冷卻討論會(MEEC98)吸引了許多專家聚集一堂，其中包括新西伯利亞所的電子冷卻技術的發明者。從GershBudker最初提出構想以來，電子冷卻技術已歷經3O多年的發展，有10個冷卻環在運行，電子冷卻已成為常用技術。

SimonvanderMeer的隨機冷卻方案一直被選用為冷卻能量高於0．5GeV的質子與反質子束的技術更高的強度意味著電子冷卻必定引起新的挑戰。

在標準方案中，一條靜電加速(最大能量為300keV)、低溫磁約束電子束在儲存環直線段中是與一條離子束相伴的這方面的進展主要表現在磁場質量的提高和極低溫度下強電子束的產生。新西伯利亞Kuksanov等人於1986年提出了第一個建議，使用電子冷卻方法冷卻MeV能量的電子，並建造了一個1MeV電子能量的樣機。在一個能量回收方案中，得到了1安培的直流電子束。

中能電子冷卻之初

第一個中能電子冷卻計畫是根據T．Illison的建議作出的，其目的是要對超導超級對撞機能增強器的12GeV質子進行電子冷卻目前，用電子對GeV能量的離子進行冷卻是許多現代工程的一部分。

在費米實驗室Tevatron對撞機亮度升級計畫中就包括有對再循環貯存環中的9GeV反質子進行電子冷卻一項，以補償聚束過程中的束流加熱。德國DESY實驗室要對PETRA儲存環中的10-20GeV能量的質子進行電子冷卻，目標是將發散度降低一半，並提高HERA下方的亮度。日本RIKEN放射性離子束流工廠的MUSES計畫也將採用電子冷卻技術來提高電子一離子和離子一離子對撞的亮度，其中輕離子的能量最高達到每核子1．5GeV，質子能量為3．5GeV。

電子-核對撞機

目前德國的重離子實驗室GSI和俄國的新西伯利亞實驗室正在做電子一核子對撞機的理論設計，如果不對能量為每核子10-30GeV的離子進行強有力的電子冷卻，這類對撞機是無法運行的。

與以前的中能電子冷卻討論會(1995年和1996年在費米實驗室，1997年在新西伯利亞)相比，本次會議的重點更趨於理論。這項技術的開創人A．Sdrinsky在題為。電子冷卻的中能對撞機的報告中指出，在這類加速器中，電子冷卻的目的不是得到深度冷卻的離子，而是為了補償各種熱效應，並穩定離子束的參數。

電子一核子對撞機

冷卻是在新的條件下進行的：高強度、分束團的GeV能量的離子束，在幾十米長度上進行冷卻，冷卻時間從幾分鐘到幾小時不等。電子束的參數也與通常的冷卻系統不同：電子溫度是由加速系統測定的，可在幾個eV範圍內；可能會看到電子平化速度分布的破壞；可以使用非磁化而結團的電子束；束流功率可能很高，等等。

新條件需要有新的理論。只有當電子能量在5MeV以下時，靜電裝置中的直流加速才是可行的，它的電子束是在垂直磁場中的。沒有重大的研究和發展，這類裝置也是可能的。但即便如此，也必須設計新的冷卻系統，以降低設備的造價。

電子輸運線

要達到電子束的高功率，需要發展電子輸運線。為了降低電子平均束流功率，電子束可在一個另建的環中循環。循環的周期受到各種引起電子束流加熱的因素的限制。將一垂直磁場與電子的電子感應加速相結合的方案可能是造價最低的方案。但要真正實現這一方案，必須解決粒子動力學的問題。

電子輸運線

如果要對能量高於10GeV的結團離子束進行冷卻，結團電子束似乎很有吸引力。在這一情況下，電子可通過一個較低頻的直線加速器得到加速，它可提供約1米、動量展寬很小的電子束團。電子束的質量不僅是由產生方法確定的，同時也是由離子束的參數決定的。快速冷卻也可能使強離子束不穩定。

費米實驗室已經得到新的中能電子冷卻結果。檢驗循環結團電子束方案的新項目也正在討論中。