Влияние ионов остаточного газа на процесс электронного охлаждения

• Автор: Коротаев, Юрий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 91 с. : ил.

Глава 1. Исследования нейтрализованного состояния электронного пучка на стенде“Рекуператор”
§1.1. Стенд “Рекуператор”, средства управления и диагностики нейтрализованного электронного пучка
§1.2. Времяпролетный масс-анализатор
§1.3. Исследования влияния состава ионов на устойчивость нейтрализованного состояния электронного пучка
Глава 2. Исследования влияния ионов остаточного газа на процесс электронного охлаждения протонного пучка в синхротроне COSY
§2.1. Синхротрон COSY
§2.2. Методики измерения уровня “естественной нейтрализации” 41 §2.3. Исследования состава ионов остаточного газа, накопленных в электронном пучке
§2.4. Исследования влияния ионов остаточного газа на устойчивость охлаждаемого пучка
Глава 3. Меры по оптимальному использованию нейтрализации в системах электронного охлаждения
§3.1. Проект системы электронного охлаждения ТВН
§3.2. Система электронного охлаждения накопителя LEPTA
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Накопительные кольца тяжелых заряженных частиц - протонов, антипротонов, ионов с электронным охлаждением [1-8] являются новым инструментом физического эксперимента в физике высоких энергий, ядерной и атомной физике, физике пучков.
Ионный пучок, инжектируемый в накопитель, обычно имеет большой начальный разброс скоростей и большой поперечный размер. Для накопления и формирования ионных пучков с малым разбросом скоростей и малым эмиттансом Г.И. Будкером был предложен метод электронного охлаждения [1, 2]. Метод позволяет создать в пучке ионов эффективное трение, уменьшающее его фазовый объем (эмиттанс и разброс его частиц по импульсу). Идея метода заключается в том, что на прямолинейном участке накопителя вводится интенсивный пучок электронов, имеющих ту же среднюю скорость, что и пучок тяжелых частиц, и малый разброс по скоростям. За счет кулоновского взаимодействия между частицами температура электронов и ионов выравнивается, в результате чего уменьшается разброс продольных скоростей ионов и пучок сжимается [1,2,4, 9-11].
Транспортировка электронного пучка в системе электронного охлаждения сопровождается ионизацией остаточного газа в вакуумной камере. В результате, в электронном пучке возможно накопление ионов, образующихся при этом. Ионы остаточного газа удерживаются в поперечном направлении собственным электрическим полем пучка и магнитным полем соленоидов, ионизационные электроны свободно уходят вдоль пучка, а ионы накапливаются из-за меньшей величины скорости. Присутствие ионов существенно влияет на процесс электронного охлаждения. С одной стороны, ионы нейтрализуют (компенсируют) собственный пространственный заряд электронного пучка, что приводит к уменьшению разброса
продольных скоростей электронов по сечению пучка и значительно' повышает эффект охлаждения (сокращается время охлаждения). С другой стороны, в трехкомпонентной системе (охлажденные быстрые ионы + охлаждающие электроны + медленные ионы остаточного газа) возможно развитие различного рода «плазменных» неустойчивостей, вызывающих нагрев охлажденных ионов и подавляющих тем самым эффект охлаждения.
Уровень нейтрализации можно регулировать искусственно. Для этого используются электростатические «пробки», которые устанавливаются на входе и выходе участка охлаждения. Электростатические пробки предотвращают уход ионов остаточного газа вдоль оси пучка, а их уход поперек пучка затруднен полем пространственного заряда электронного пучка.
Анализ особенностей накопления ионов остаточного газа в электронном пучке был проведен, например, в работах [12 - 18]. Детальные экспериментальные исследования процесса накопления ионов остаточного газа в электронном пучке систем электронного охлаждения проводились на накопителе ЬБАЯ (ЦЕРН) [19 - 21], на установках НАП-М и МОСОЛ (ИЯФ им. Будкера, г.Новосибирск) [22 - 24], на стенде «Рекуператор» (ОИЯИ, г.Дубна) [25 - 27]. В этих экспериментах были выявлены основные физические эффекты, определяющие степень нейтрализации пучка и условия устойчивости нейтрализованного состояния.
При использовании электростатических пробок степень нейтрализации в основном определяется температурой ионов, накопленных в электронном пучке. Степень нейтрализации уменьшается при увеличении температуры ионов, которая определяется нагревом ионов при кулоновском взаимодействии с электронами пучка, ион-ионными столкновениями и нагревом ионов при возбуждении аксиальноОбнаруженные ионные пики соответствуют разностной частоте в формуле (1.7):
^ = а/®?(і~Г1пеиіг)+ /4 ~(йв/2,
пики на суммарных частотах не наблюдались. Не удалось обнаружить изменения потенциала на оси электронного пучка при частотах возбуждения, соответствующих частотам колебаний атомарных и молекулярных ионов водорода (221 и 197 кГц). Возможно, это объясняется меньшей эффективностью воздействия УВИК на легкие ионы, так как время их пролета через пикап-электроды меньше из-за большей скорости.
Измерения частоты УВИК, соответствующей максимальному изменению энергии электронов, в зависимости от тока электронного пучка (рис. 2.10) показывают, что расчет по формуле (1.7) без учета изменения степени нейтрализации под воздействием УВИК не позволяет точно идентифицировать сорт иона. Расчетные кривые на рис. 2.10 построены для двух атомарных ионов азота и кислорода при фиксированном значении степени нейтрализации, измеренной при выключенном УВИК.
Ток электронного пучка, мА
—Ф— Эксперимент
А/г
А/2
Рис. 2.10 Зависимость резонансной частоты УВИК от тока электронного пучка. Для сравнения приведены расчетные зависимости для двух сортов ионов при степени нейтрализации 0.37.