12C3＋离子束在HIRFL-CSRe上的初步电子冷却调试

李 杰，杨晓东，冒立军，杨建成，原有进，夏佳文，晏太来，马晓明，石 健，柴伟平，殷达钰，申国栋，汶伟强

（中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000）

电子冷却作为质子和离子储存环中常用到的主要束流冷却方法之一，在中低能区能有效降低环内储存离子束的能散及横向发射度，从而提高存储束的相空间密度。电子冷却原理是在储存环的直线段引入低温高流强电子束，在电子束与离子束平均速度相同及共轴情况下，通过多次库仑碰撞进行热交换，在二者达到热平衡后，离子束能散和横向发射度通常能降低1个数量级。此外，参与热平衡作用的主要因素还有束内散射、残余气体散射和碰撞离化、电子离子复合等，这些因素共同决定了离子束在环内储存时所能达到的最低能散、横向相空间密度以及环内储存束的流强大小。

残余气体主要通过碰撞离化改变储存离子的电荷态，从而影响束流的存储寿命。因此，对于裸离子，束流在冷却储存环内的存储寿命主要取决于其俘获外界电子的概率。而对于非全裸离子，这两种作用均会对束流的存储寿命产生影响，并且残余气体的碰撞离化作用在一定条件下占主导地位。

122 MeV／u的12C3＋离子束因特殊的能级结构而在储存环中能通过激光束进行深入冷却［1］，但激光冷却需以电子冷却对12C3＋离子束进行预冷却为前提。电子冷却实验调试发现，122 MeV／u的12C3＋离子束在兰州重离子加速器（HIRFL）实验环（CSRe）中的储存寿命远低于预期，这限制了电子冷却作用和后续实验的开展。

12C3＋为非全裸离子，在储存环内冷却储存时通过多种机制进行损失。本文从12C3＋离子束在CSRe的初步电子冷却实验调试出发，计算全环非理想真空条件下束流的存储寿命和电子冷却时间，分析CSRe真空条件对12C3＋离子束冷却存储的影响。

1 未烘烤时CSRe真空度与残余气体成分

CSRe正常运行中的真空度（等效氮压）为10-9Pa数量级。然而，此次实验调束中，除电子冷却段外，CSRe全环其余部分均未作烘烤。全环未烘烤部分的静态真空度在2×10-8～5×10-8Pa范围内。由于CSRe真空管道采用与主环（CSRm）完全相同的材料和真空技术处理工艺，因而，未烘烤情况下CSRe真空中残余气体 成 分 可 参 考CSRm 的 测 量 结 果［2］：Ar，0.24%；CO2，2.8%；H2，1%；H2O，90%；CxHy，2.4%；N2／CO，2%；O2，0.6%。假设 此次实验中环内残余气体成分沿全环均匀分布，当环内有离子束存储时，全环各处的真空度均为5×10-8Pa。

2 束流存储寿命

离子束与残余气体碰撞损失时，储存束的存储寿命τ（v）［3］可近似表示为：

式中：ρ为残余气体密度；β为相对论因子；c为光速；v为碰撞速度；σt（v）为碰撞损失中的总作用截面。由于环内残余气体密度ρ与真空度呈正比，因此，式（1）表明由残余气体碰撞引起的束流储存寿命与真空度呈反比。

在储存离子束通过电荷态变化损失中，主要损失机制来源于离子俘获冷却电子束中的电子和与残余气体的碰撞［4］。在与电子束作用中，离子束损失机制主要为辐射电子俘获。在与残余气体作用中，离子束损失机制主要有［4］：单次库仑散射、多次库仑散射、残余气体剥离作用引起储存束离化损失、核反应引起的损失及离子束因碰撞而损失能量等。对于中低能非全裸离子，当储存环真空度过低时，碰撞剥离截面为总作用截面的主要贡献，残余气体的剥离作用此时为束流存储寿命的主要决定因素［5］。

在CSRe未作真空烘烤处理时，环内真空度较正常运行时低1个数量级。对于非完全剥离离子束，束流存储寿命会相应地降低1个数量级，残余气体引起的碰撞离化损失便成为决定束流存储寿命的主导因素。从CSRm 中测得的残余气体成分比例可知，CSRe中残余气体的主要成分是H 和O，分别占62%和33%，其余成分为N、C、Ar，所占比例不足5%。忽略除上述提及机制以外的其他束流损失途径，根据Bohr等的理论分析［5-6］，12C3＋离子束在5×10-8Pa真空条件下的存储寿命为11.9s。其中，98%的束流损失来自于12C3＋与残余气体的剥离碰撞，1.5%的损失来自12C3＋离子束与冷却电子束之间的辐射电子俘获作用，而其他损失相比之下可忽略不计。

3 12C3＋离子束的冷却时间

离子束的冷却时间通常定义为离子束横向发射度或纵向动量分散在冷却作用下降低到起始值1／e倍时所需的时间：

其中：τ⊥为横向冷却时间；ε⊥为离子束横向发射度；τ∥为纵向冷却时间；δp／p 为离子束的相对动量分散；t为时间。

在CSRe实验调束中，纵向冷却通过探测共振肖特基探针上感应的离子束信号进行实时频谱分析测量，横向冷却由于缺乏离子束横向发射度或包络变化的探测途径而难以测量。因此，实验仅测量了离子束的纵向冷却时间，而优化后的束流横向冷却时间通常长于纵向冷却时间，且二者具有可比性。

实验调束中的电子束流强为300 mA，密度为1.27×107cm-3，电子冷却段纵向磁场强度为740Gs。若离子束注入CSRe时的初始水平和垂直发射度均为20πmm·mrad，忽略除电子束冷却以外的其他加热因素作用，由Parkhomchuk［7］磁 化 冷 却 理 论 计 算 得 到12C3＋离子束的冷却时间为23.6s。与前述离子束存储寿命理论结果11.9s相比，新注入12C3＋离子束的冷却时间是其存储寿命的2 倍。因此，12C3＋离子束在CSRe冷却储存中因真空度过低而快速衰减损失。

4 实验调束

在实验调束中，CSRe离子束能量保持在122 MeV／u，注入方式为单次单圈注入。实验中12C3＋离子束在CSRe中经3 次注入及冷却储存时束流强度的增减变化如图1所示。图中前两次注入时间间隔为20s，第3次注入结束后停止注入以观察束流衰减变化情况。分析图1可知，全环平均真空度为5×10-8Pa时，12C3＋离子束在CSRe 上的指数衰减寿命为6.6s。实验测得的衰减寿命与理论计算结果11.9s的差别主要来源于CSRe在离子束存储增减中真空度的变化。

图1 12 C3＋离子束在CSRe中储存时流强的变化Fig.1 Intensity change of 12 C3＋beam at CSRe

单次注入后，由肖特基探针探测到的12C3＋离子束在冷却和存储衰减过程中的束流频谱时间演化如图2所示。横轴为频率，频谱中心位置为243.56MHz，频窗宽度为300kHz；纵轴为时间，自上向下标示了束流频谱演化中的时间信息，图中相邻两次注入时间间隔为40s；离子束的流强信息通过图中频谱颜色深浅显示，深色部分为较强的束流信号，浅色部分为本底噪声。图2束流频谱演化分析表明，离子束的纵向冷却时间约为20s，是离子束存储中指数衰减寿命的3 倍。图2 中离子束注入5s时频谱位置右移，其原因可解释为在CSRe内储存的12C3＋离子束在注入时受到主环电磁场慢升降变化，以及CSRe在注入和冷却时采取了不同的闭轨设置的影响。

图2 12 C3＋离子束在CSRe冷却存储中的频谱演化Fig.2 Spectra evolution of 12 C3＋beam during storage and electron cooling at CSRe

为实验验证12C3＋离子束过短的存储寿命是否由全环过低的真空度所致，并检验CSRe实验调试中电子冷却的工作状态，在CSRe和主环之间的放射性束线（RIBLL2）上将12C3＋剥离为裸离子，在CSRe内得到能量略低于122MeV／u的全剥离的12C6＋裸离子束。

在与12C3＋离子束冷却调试中相近电子冷却参数设置下，单次注入后12C6＋离子束在CSRe中的冷却储存中的频谱演化如图3 所示。频谱中心位置为245.151 MHz，频窗宽度为500kHz。实验测得12C6＋离子束在CSRe中的存储寿命为45s，冷却时间约为6s，12C6＋离子束冷却后的动量分散为2×10-5。图3中左下角为存储束在频窗宽度减至100kHz时的局部谱图。由图3 可见，CSRe同时冷却储存了12C6＋和16O8＋两种离子，它们之间的频谱位置间距表明，这两种离子的荷质比相差5×10-5。也正因如此接近的荷质比，使它们能从离子源开始，直到CSRe始终共存。

图3 CSRe冷却存储中12 C6＋离子束和16 O8＋离子束的频谱演化Fig.3 Spectra evolution of 12 C6＋and 16 O8＋beam during storage and electron cooling at CSRe

5 结论

CSRe实验调束和存储束指数衰减寿命计算表明，非全裸的12C3＋离子束在CSRe中的存储寿命过短是由全环真空管道不完全烘烤而具有较低的真空度所致，而12C3＋离子束的冷却时间长于其存储寿命。这解释了CSRe中12C3＋离子束的初步电子冷却调试结果。因此，诸如12C3＋的非全裸离子在CSRe中冷却储存的必要条件是全环真空度达到10-9Pa量级。

［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.