12C3＋離子束在HIRFL-CSRe上的初步電子冷卻調試

李 杰，楊曉東，冒立軍，楊建成，原有進，夏佳文，晏太來，馬曉明，石 健，柴偉平，殷達鈺，申國棟，汶偉強

（中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

電子冷卻作為質子和離子儲存環中常用到的主要束流冷卻方法之一，在中低能區能有效降低環內儲存離子束的能散及橫向發射度，從而提高存儲束的相空間密度。電子冷卻原理是在儲存環的直線段引入低溫高流強電子束，在電子束與離子束平均速度相同及共軸情況下，通過多次庫侖碰撞進行熱交換，在二者達到熱平衡后，離子束能散和橫向發射度通常能降低1個數量級。此外，參與熱平衡作用的主要因素還有束內散射、殘余氣體散射和碰撞離化、電子離子復合等，這些因素共同決定了離子束在環內儲存時所能達到的最低能散、橫向相空間密度以及環內儲存束的流強大小。

殘余氣體主要通過碰撞離化改變儲存離子的電荷態，從而影響束流的存儲壽命。因此，對于裸離子，束流在冷卻儲存環內的存儲壽命主要取決于其俘獲外界電子的概率。而對于非全裸離子，這兩種作用均會對束流的存儲壽命產生影響，并且殘余氣體的碰撞離化作用在一定條件下占主導地位。

122 MeV／u的12C3＋離子束因特殊的能級結構而在儲存環中能通過激光束進行深入冷卻［1］，但激光冷卻需以電子冷卻對12C3＋離子束進行預冷卻為前提。電子冷卻實驗調試發現，122 MeV／u的12C3＋離子束在蘭州重離子加速器（HIRFL）實驗環（CSRe）中的儲存壽命遠低于預期，這限制了電子冷卻作用和后續實驗的開展。

12C3＋為非全裸離子，在儲存環內冷卻儲存時通過多種機制進行損失。本文從12C3＋離子束在CSRe的初步電子冷卻實驗調試出發，計算全環非理想真空條件下束流的存儲壽命和電子冷卻時間，分析CSRe真空條件對12C3＋離子束冷卻存儲的影響。

1 未烘烤時CSRe真空度與殘余氣體成分

CSRe正常運行中的真空度（等效氮壓）為10-9Pa數量級。然而，此次實驗調束中，除電子冷卻段外，CSRe全環其余部分均未作烘烤。全環未烘烤部分的靜態真空度在2×10-8～5×10-8Pa范圍內。由于CSRe真空管道采用與主環（CSRm）完全相同的材料和真空技術處理工藝，因而，未烘烤情況下CSRe真空中殘余氣體 成 分 可 參 考CSRm 的 測 量 結 果［2］：Ar，0.24%；CO2，2.8%；H2，1%；H2O，90%；CxHy，2.4%；N2／CO，2%；O2，0.6%。假設 此次實驗中環內殘余氣體成分沿全環均勻分布，當環內有離子束存儲時，全環各處的真空度均為5×10-8Pa。

2 束流存儲壽命

離子束與殘余氣體碰撞損失時，儲存束的存儲壽命τ（v）［3］可近似表示為：

式中：ρ為殘余氣體密度；β為相對論因子；c為光速；v為碰撞速度；σt（v）為碰撞損失中的總作用截面。由于環內殘余氣體密度ρ與真空度呈正比，因此，式（1）表明由殘余氣體碰撞引起的束流儲存壽命與真空度呈反比。

在儲存離子束通過電荷態變化損失中，主要損失機制來源于離子俘獲冷卻電子束中的電子和與殘余氣體的碰撞［4］。在與電子束作用中，離子束損失機制主要為輻射電子俘獲。在與殘余氣體作用中，離子束損失機制主要有［4］：單次庫侖散射、多次庫侖散射、殘余氣體剝離作用引起儲存束離化損失、核反應引起的損失及離子束因碰撞而損失能量等。對于中低能非全裸離子，當儲存環真空度過低時，碰撞剝離截面為總作用截面的主要貢獻，殘余氣體的剝離作用此時為束流存儲壽命的主要決定因素［5］。

在CSRe未作真空烘烤處理時，環內真空度較正常運行時低1個數量級。對于非完全剝離離子束，束流存儲壽命會相應地降低1個數量級，殘余氣體引起的碰撞離化損失便成為決定束流存儲壽命的主導因素。從CSRm 中測得的殘余氣體成分比例可知，CSRe中殘余氣體的主要成分是H 和O，分別占62%和33%，其余成分為N、C、Ar，所占比例不足5%。忽略除上述提及機制以外的其他束流損失途徑，根據Bohr等的理論分析［5-6］，12C3＋離子束在5×10-8Pa真空條件下的存儲壽命為11.9s。其中，98%的束流損失來自于12C3＋與殘余氣體的剝離碰撞，1.5%的損失來自12C3＋離子束與冷卻電子束之間的輻射電子俘獲作用，而其他損失相比之下可忽略不計。

3 12C3＋離子束的冷卻時間

離子束的冷卻時間通常定義為離子束橫向發射度或縱向動量分散在冷卻作用下降低到起始值1／e倍時所需的時間：

其中：τ⊥為橫向冷卻時間；ε⊥為離子束橫向發射度；τ∥為縱向冷卻時間；δp／p 為離子束的相對動量分散；t為時間。

在CSRe實驗調束中，縱向冷卻通過探測共振肖特基探針上感應的離子束信號進行實時頻譜分析測量，橫向冷卻由于缺乏離子束橫向發射度或包絡變化的探測途徑而難以測量。因此，實驗僅測量了離子束的縱向冷卻時間，而優化后的束流橫向冷卻時間通常長于縱向冷卻時間，且二者具有可比性。

實驗調束中的電子束流強為300 mA，密度為1.27×107cm-3，電子冷卻段縱向磁場強度為740Gs。若離子束注入CSRe時的初始水平和垂直發射度均為20πmm·mrad，忽略除電子束冷卻以外的其他加熱因素作用，由Parkhomchuk［7］磁 化 冷 卻 理 論 計 算 得 到12C3＋離子束的冷卻時間為23.6s。與前述離子束存儲壽命理論結果11.9s相比，新注入12C3＋離子束的冷卻時間是其存儲壽命的2 倍。因此，12C3＋離子束在CSRe冷卻儲存中因真空度過低而快速衰減損失。

4 實驗調束

在實驗調束中，CSRe離子束能量保持在122 MeV／u，注入方式為單次單圈注入。實驗中12C3＋離子束在CSRe中經3 次注入及冷卻儲存時束流強度的增減變化如圖1所示。圖中前兩次注入時間間隔為20s，第3次注入結束后停止注入以觀察束流衰減變化情況。分析圖1可知，全環平均真空度為5×10-8Pa時，12C3＋離子束在CSRe 上的指數衰減壽命為6.6s。實驗測得的衰減壽命與理論計算結果11.9s的差別主要來源于CSRe在離子束存儲增減中真空度的變化。

圖1 12 C3＋離子束在CSRe中儲存時流強的變化Fig.1 Intensity change of 12 C3＋beam at CSRe

單次注入后，由肖特基探針探測到的12C3＋離子束在冷卻和存儲衰減過程中的束流頻譜時間演化如圖2所示。橫軸為頻率，頻譜中心位置為243.56MHz，頻窗寬度為300kHz；縱軸為時間，自上向下標示了束流頻譜演化中的時間信息，圖中相鄰兩次注入時間間隔為40s；離子束的流強信息通過圖中頻譜顏色深淺顯示，深色部分為較強的束流信號，淺色部分為本底噪聲。圖2束流頻譜演化分析表明，離子束的縱向冷卻時間約為20s，是離子束存儲中指數衰減壽命的3 倍。圖2 中離子束注入5s時頻譜位置右移，其原因可解釋為在CSRe內儲存的12C3＋離子束在注入時受到主環電磁場慢升降變化，以及CSRe在注入和冷卻時采取了不同的閉軌設置的影響。

圖2 12 C3＋離子束在CSRe冷卻存儲中的頻譜演化Fig.2 Spectra evolution of 12 C3＋beam during storage and electron cooling at CSRe

為實驗驗證12C3＋離子束過短的存儲壽命是否由全環過低的真空度所致，并檢驗CSRe實驗調試中電子冷卻的工作狀態，在CSRe和主環之間的放射性束線（RIBLL2）上將12C3＋剝離為裸離子，在CSRe內得到能量略低于122MeV／u的全剝離的12C6＋裸離子束。

在與12C3＋離子束冷卻調試中相近電子冷卻參數設置下，單次注入后12C6＋離子束在CSRe中的冷卻儲存中的頻譜演化如圖3 所示。頻譜中心位置為245.151 MHz，頻窗寬度為500kHz。實驗測得12C6＋離子束在CSRe中的存儲壽命為45s，冷卻時間約為6s，12C6＋離子束冷卻后的動量分散為2×10-5。圖3中左下角為存儲束在頻窗寬度減至100kHz時的局部譜圖。由圖3 可見，CSRe同時冷卻儲存了12C6＋和16O8＋兩種離子，它們之間的頻譜位置間距表明，這兩種離子的荷質比相差5×10-5。也正因如此接近的荷質比，使它們能從離子源開始，直到CSRe始終共存。

圖3 CSRe冷卻存儲中12 C6＋離子束和16 O8＋離子束的頻譜演化Fig.3 Spectra evolution of 12 C6＋and 16 O8＋beam during storage and electron cooling at CSRe

5 結論

CSRe實驗調束和存儲束指數衰減壽命計算表明，非全裸的12C3＋離子束在CSRe中的存儲壽命過短是由全環真空管道不完全烘烤而具有較低的真空度所致，而12C3＋離子束的冷卻時間長于其存儲壽命。這解釋了CSRe中12C3＋離子束的初步電子冷卻調試結果。因此，諸如12C3＋的非全裸離子在CSRe中冷卻儲存的必要條件是全環真空度達到10-9Pa量級。

［1］ WEI W Q，MA X W，ZHANG D C，et al.Preparations for laser cooling of relativistic heavy-ion beams at the CSRe［J］.Phys Scr，2013，T156：014090.

［2］ YANG X T，ZHANG J H，HU J，et al.CSRm ultra-high vacuum system［J］.Plasma Sci Tech，2005，7（5）：3 021-3 024.

［3］ SHEVELKO V P，BRINZANESCU O，JACOBY W，et al.Beam lifetimes of low-charged ions in storage rings［J］.Hyperfine Interactions，1998，114：289-292.

［4］ FRANZKE B.Interaction of stored ion beams with the residual gas［C］∥TURNER S.Fourth Advanced Accelerator Physics Course.Geneva：CERN Accelerator School，1991：100-119.

［5］ FRANZKE B.Vacuum requirements for heavy ion synchrotrons［J］.IEEE NS，1981，28：2 116-2 118.

［6］ BELL M，BELL J S.Capture of cooling electrons by cool protons［J］.Particle Accelerators，1982，12：49-52.

［7］ PARKHOMCHUK V V.Development of a new generation of coolers with a hollow electron beam and electrostatic bending［J］.AIP Conference Proceedings，2006，821：249-258.