[科普中国]-电子冷却

冷却原理

在1983年的美国粒子加速器的圣菲会议上,美国的印第安那一大学回旋加速器实验室提出了在原来的分离扇加速器后接一个电子冷却储存环以提高束流的能量及质量的计划。这个把高能物理中电子冷却技术应用到中能加速器里来的大胆而新颖的方案引起了与会者的极大兴趣。加速器专家们认为这是继超导技术之后加速器技术领域中的又一重大进展。它将为做更高水平的核物理实验开辟广阔前景1。

根据相对论原理,在高能物理实验中当束流轰击静止靶核时其有效作用能为：

其中 为粒子的静止能量, 为粒子的动能,如果 ,则 显然有效比要小得多。

为了提高被加速核与靶核之间有效作用能,应使轰击核与靶核相对于实验室坐标作方向相反的运动。因而储存相反电荷的粒子,最后使它们作相对碰撞以达到核反应目的的各种储存环成为粒子物理实验中有力的工具。众所周知,核反应的计数率是等于束猛的亮度与反应截面的乘积。在储存环中为了提高事件发生的几率对一定反应截面而言就意味着必须提高束流的亮度。亮度的定义为六维相空间 中粒子电荷密度。对一定的粒子流强来说要提高亮度就必须减小六维相空问的体积。所谓“冷却”即是指束流所占据的相空间休积的缩小。

但由刘维尔定理可知，只要系统是哈密尔顿的,则粒子所占据的相空间在运动过程中是不变的，例如在任何电磁场中运动,粒子所受的力都将使相体积保持不变。所以要使束流的相空间体积缩小,系统中必须有非哈密尔顿项的力,象摩擦力、扩散、辐射等。如何产生这些非哈密尔顿项力是束流冷却问题的至要课题,当然从理论上讲使束流的六维相空间休积缩小总是可能的1。

发展趋势由杜布纳研究所组织的一次中能电子冷却讨论会(MEEC98)吸引了许多专家聚集一堂，其中包括新西伯利亚所的电子冷却技术的发明者。从GershBudker最初提出设想以来，电子冷却技术已历经3O多年的发展，有10个冷却环在运行，电子冷却已成为常用技术。

SimonvanderMeer的随机冷却方案一直被选用为冷却能量高于0．5GeV的质子与反质子束的技术更高的强度意味着电子冷却必定引起新的挑战。

在标准方案中，一条静电加速(最大能量为300keV)、低温磁约束电子束在储存环直线段中是与一条离子束相伴的这方面的进展主要表现在磁场质量的提高和极低温度下强电子束的产生。新西伯利亚Kuksanov等人于1986年提出了第一个建议，使用电子冷却方法冷却MeV能量的电子，并建造了一个1MeV电子能量的样机。在一个能量回收方案中，得到了1安培的直流电子束2。

中能电子冷却之初

第一个中能电子冷却计划是根据T．Illison的建议作出的，其目的是要对超导超级对撞机能增强器的12GeV质子进行电子冷却目前，用电子对GeV能量的离子进行冷却是许多现代工程的一部分。

在费米实验室Tevatron对撞机亮度升级计划中就包括有对再循环贮存环中的9GeV反质子进行电子冷却一项，以补偿聚束过程中的束流加热。德国DESY实验室要对PETRA储存环中的10-20GeV能量的质子进行电子冷却，目标是将发散度降低一半，并提高HERA下方的亮度。日本RIKEN放射性离子束流工厂的MUSES计划也将采用电子冷却技术来提高电子一离子和离子一离子对撞的亮度，其中轻离子的能量最高达到每核子1．5GeV，质子能量为3．5GeV2。

电子-核对撞机

目前德国的重离子实验室GSI和俄国的新西伯利亚实验室正在做电子一核子对撞机的理论设计，如果不对能量为每核子10-30GeV的离子进行强有力的电子冷却，这类对撞机是无法运行的。

与以前的中能电子冷却讨论会(1995年和1996年在费米实验室，1997年在新西伯利亚)相比，本次会议的重点更趋于理论。这项技术的开创人A．Sdrinsky在题为。电子冷却的中能对撞机的报告中指出，在这类加速器中，电子冷却的目的不是得到深度冷却的离子，而是为了补偿各种热效应，并稳定离子束的参数。

冷却是在新的条件下进行的：高强度、分束团的GeV能量的离子束，在几十米长度上进行冷却，冷却时间从几分钟到几小时不等。电子束的参数也与通常的冷却系统不同：电子温度是由加速系统测定的，可在几个eV范围内；可能会看到电子平化速度分布的破坏；可以使用非磁化而结团的电子束；束流功率可能很高，等等。

新条件需要有新的理论。只有当电子能量在5MeV以下时，静电装置中的直流加速才是可行的，它的电子束是在垂直磁场中的。没有重大的研究和发展，这类装置也是可能的。但即便如此，也必须设计新的冷却系统，以降低设备的造价2。

电子输运线

要达到电子束的高功率，需要发展电子输运线。为了降低电子平均束流功率，电子束可在一个另建的环中循环。循环的周期受到各种引起电子束流加热的因素的限制。将一垂直磁场与电子的电子感应加速相结合的方案可能是造价最低的方案。但要真正实现这一方案，必须解决粒子动力学的问题。

如果要对能量高于10GeV的结团离子束进行冷却，结团电子束似乎很有吸引力。在这一情况下，电子可通过一个较低频的直线加速器得到加速，它可提供约1米、动量展宽很小的电子束团。电子束的质量不仅是由产生方法确定的，同时也是由离子束的参数决定的。快速冷却也可能使强离子束不稳定。

费米实验室已经得到新的中能电子冷却结果。检验循环结团电子束方案的新项目也正在讨论中2。