А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. А.В.Смирнов «Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение» 21 апреля 2011 Школа-семинар. - презентация

1 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. А.В.Смирнов «Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение» 21 апреля 2011 Школа-семинар «Современные ускорительные технологии в релятивистской ядерной физики» ЛФВЭ, УНЦ ОИЯИ 21 апреля 2011 г. 1/45

2 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Оглавление История метода электронного охлаждения Основные принципы Существующие системы электронного охлаждения Проекты новых систем электронного охлаждения Моделирование динамики процесса охлаждения 21 апреля /45

3 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. А.Н.Скринский (в центре) и Г.И.Будкер (справа) 21 апреля /45

4 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. В.В.Пархомчук, А.Н.Скринский, И.Н.Мешков, Н.С.Диканский 21 апреля /45

5 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Схема НАП-М 21 апреля /45

6 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Первая система электронного охлаждения (1975 г.) 21 апреля /45

7 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Схема системы электронного охлаждения 21 апреля – электронная пушка, 2 – магнитные катушки и электростатические пластины, 3 – торроидальные соленоиды, 4 – прямолинейный соленоид, 5 – магнитный экран, 6 – коллектор электронов, 7 – катушки коррекции орбиты ионного пучка, 8 – вакуумный канал орбиты ионного пучка. 7/45

8 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Электронная пушка и коллектор 21 апреля /45

9 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Конструкция прямолинейного соленоида 21 апреля /45

10 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Движение электронов по ларморовской спирали 21 апреля /45

11 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Зависимость скорости охлаждения от магнитного поля 21 апреля /45

12 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Модели силы трения 21 апреля 2011 (v i

13 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Экспериментальное измерение силы трения 21 апреля /45

14 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Системы электронного охлаждения 21 апреля /45

15 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Ускорительный комплекс IMP (Китай) 21 апреля /45

16 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Itemvalue Maximum electron energy300keV Maximum electron beam current3A Gun perveance29µP Cathode diameter29mm Current collection efficiency99.99% Maximum magnetic field in Gun section0.5T Maximum magnetic field in cooling section0.15T Field parallelism in cooling section4*10 -5 Effective length of cooling section3.4m Vacuum pressure3* mbar Параметры системы электронного охлаждения CSRe 21 апреля /45

17 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Результат охлаждения ионов углерода на энергии 200MeV/u 4 марта 2009 Система электронного охлаждения CSR (Китай) 21 апреля /45

18 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Накопитель S-LSR (Киото, Япония) 21 апреля /45

19 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Electron Gun Collector Cup Central Chamber Steering Magnet Система электронного охлаждения S-LSR (Киото, Япония) 21 апреля m 19/45

20 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Ускорительный комплекс FNAL (Батавия, США) 21 апреля /45

21 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. 21 апреля 2011 Системы охлаждение на Recycler 21/45

22 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Высоковольтный источник электронного охлаждения FNAL (Батавия, США) 21 апреля /45

23 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Электронное охлаждение позитронов Проект LEPTA 21 апреля 2011 septum kicker cooling section positronium detector positron trap 22 Na 10 6 e + per sec sec=10 8 e Ps per sec e-gun collector Helical quadrupole O-Ps 23/45

24 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Основные параметры накопителя LEPTA 21 апреля /45

25 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. 21 апреля /45

26 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Ускорительный комплекс COSY (FZJ, Германия) 21 апреля COSY accelerates (polarized) protons and deuterons between 300/600 and 3700 MeV/c -4 internal and 3 external experimental areas -Electron cooling at low momenta -Stochastic cooling at high momenta 26/45

27 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Система электронного охлаждения COSY 21 апреля 2011 Design Values Electron energy up to 100 kV Electron current up to 3 A 27/45

28 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Новый электронный охладитель COSY на 2 МэВ 21 апреля /45

29 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Ускорительный комплекс FAIR (Германия) 21 апреля 2011 existing GSI proton linac UNILAC SIS18 HESR SIS100 SIS300 SuperFRS pbar target CR RESR FLAIR NESR goals: higher intensity (low charge states) higher energy (high charge states) production of antiprotons high quality secondary beams (cooling) 29/45

30 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Система электронного охлаждения NESR 21 апреля 2011 design by BINP, Novosibirsk Cooler Parameters energy keV max. current 2 A beam radius mm magnetic field gun up to 0.4 T cool. sect. up to 0.2 T straightness 2×10 -5 vacuum mbar high voltage up to 500 kV fast ramping, up to 250 kV/s magnetic field quality Issues: benefits: high beam quality high luminosity fast cooling of RIBs longitudinal accumulation efficient deceleration 30/45

31 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Система электронного охлаждения Бустера (проект НИКА) 21 апреля 2011 electron gun collector cryostat superconducting solenoids warm solenoids 31/45

32 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Параметры системы электронного охлаждения Ion energy, MeV100 Ion kind 197 Au 32+ Particle number2×10 9 Initial transverse emittance, mm mrad1.5 Initial momentum spread5×10 -4 RF voltage, kV10 Initial bunch length, m14 Electron beam radius, cm2,5 Electron beam current, A1.0 Electron beam temperature long/trans, meV200 / 0.5 Misalignment of ion and electron beams axes5× апреля /45

33 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Режим работы Бустера и Нуклотрона 21 апреля 2011 B(t), arb. units Booster magnetic field B(t), arb. units Nuclotron magnetic field t, [s] electron cooling 1 (2-3) injection cycles, electron cooling (?) Extraction, stripping to 197 Au 79 + bunch compression, extraction injection 33/45

34 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Моделирование процесса охлаждения 21 апреля 2011 Evolution of the bunched ion beam parameters during the cooling process with misalignment angle of 5× a)horizontal (red) and vertical (blue) emittances, b)ion momentum spread, c)longitudinal emittance. a) c) b) 34/45

35 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Поперечный профиль ионного пучка 21 апреля 2011 Ion beam density distribution after 2 seconds of the cooling: a) horizontal (red) and vertical (blue) profiles, b) transverse plane and c) horizontal transverse phase space of the cooled ion beam a) c) b) 35/45

36 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. 21 апреля 2011 Система электронного охлаждения Коллайдера Electron cooling parameters and problems: Electron beam 2.4 MeV x 1 A ion recombination hollow electron beam? HV power supply SC solenoid + hot electron collector General scheme B B B Electron cooling: 2.4 MeV x 1.0 A ecool 25 s 36/45

37 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Параметры системы электронного охлаждения Maximum electron energy, MeV2.4 Effective cooler length, m6.0 Electron beam current, A0.5 Electron beam radius, cm0.5 Magnetic field in cooling section, T2.0 Magnetic field inhomogeneity in cooling section 2×10 -5 Beta functions in cooling section, m20 Transverse electron temperature, eV50.0 Longitudinal electron temperature meV5.0 Beam lifetime due to recombination, hour апреля /45

38 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. 21 апреля 2011 Проект системы охлаждения Коллайдера Max electron energy, MeV 2.5 Max electron current, A 0.5 Solenoid magnetic field, T Magnetized electron beam Solenoid type: warm at acceleration/deceleration columns superconducting at transportation and cooling sections HV generator: Dynamitron type 6 m 3 m Under development in collaboration - All-Russian Institute for Electrotechnique (Moscow) - IKP (FZ-Juelich) - Budker INP (Novosibirsk) 38/45

39 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Моделирование процесса охлаждения 21 апреля 2011 luminosity emittances (normalized) momentum spread (GeV/c) profiles invariants core tail 39/45

40 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Использование программы BETACOOL ( ) 21 апреля 2011 RIKEN, Wako NIRS, Chiba Kyoto Univ. Beijing IMP, Lanzhou Fermilab, Batavia BNL, Upton Tech-X, Boulder FZJ, Jülich GSI, Darmstadt Erlangen Univ. MPI, Heidelberg CERN, Geneva München Univ. TSL, Uppsala MSL, Stockholm JINR, Dubna ITEP, Moscow BINP, Novosibirsk 40/45

41 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Физическая задача 21 апреля 2011 Competitive programs: MOCAC (MONte-CArlo Code) – ITEP, Moscow, P. Zenkevich, A. Bolshakov SIMCOOL (SIMulation of COOLing) – BINP, Novosibirsk, V.Parkhomchuk, V.Reva PTarget (Pellet Target) – GSI, Darmsdadt, A.Dolinsky CodeK2 (Katayma & Kikuchi) – Tokyo University, T.Katayama, T,Kikuchi General goal of the BETACOOL program is to simulate long term processes (in comparison with the ion revolution period) leading to variation of the ion distribution function in 6 dimensional phase space. Accelerator design, beam stability, non linear effects, particle tracking, dynamics aperture and vacuum, etc. investigations can be provided using: MADX, OPERA, COSY, UAL, OPTIMA, ESME …. 41/45

42 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Основные положения 21 апреля 2011 Usually an action of electron cooling on the ion dynamics inside a storage ring is described using a few standard simplifications: 1. Angular deviation of the longitudinal magnetic field line is substantially less than the ion beam angular spread. 2. Ion transverse displacement inside the cooling section is substantially less than electron beam radius. 3. Ion beam temperature is substantially larger than electron one and ion diffusion in the electron beam can be neglected. 4. Electron beam has a round shape of cross-section and uniform density distribution in the radial direction. 5. Analytical formula for friction force 42/45

43 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Три уровня объекта «Электронное охлаждение» 21 апреля ) Friction force 2) Electron beam3) Electron cooler B B B thin lens long system solenoid errors -aa a uniform cylinder hollow beam Gaussian cylinder 43/45

44 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Библиотека силы трения электронного охлаждения 21 апреля 2011 F ViVi V e,lon V e,tr BudkerDerbenev-Skrinsky-Meshkov F ViVi V e,eff Parkhomchuk Non-magnetized 44/45

45 А.В.Смирнов. Методы охлаждения пучков. Электронное охлаждение. Накопление частиц в продольном пространстве с помощью двигающихся электростатических барьеров на NESR (FAIR) 21 апреля /45