А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва1/54 Применение электронного охлаждения. - презентация

1 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва1/54 Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах А.Смирнов Объединенный институт ядерных исследований г.Дубна МО

2 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва2/54 Метод электронного охлаждения В результате теплообмена, вызванного кулоновским взаимодействием частиц, температура ионов уменьшается до тех пор, пока не станет равной температуре электронов Te : Из равенства температур следует соотношение для среднеквадратичного разброса скорости ионов в системе частиц, движущейся со скоростью 0: i, i, e среднеквадратичные скорости ионов и электронов, m, M массы электрона и иона.

3 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва3/54 Сила трения Сила трения, действующая на ион, движущийся в электронном газе с функцией распределения f(ve), выражается формулой: е, i скорости электронов и ионов, L кулоновский логарифм:

4 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва4/54 Зависимость силы трения от относительной скорости между ионом и электроном F cool (v i ) vivi v unst v st -F scat F scat Зависимость силы трения Fcool(vi) от скорости ионов для максвелловской функции распределения. Кривая Fscat соответствует некоторой эффективной силе, приводящей к нагреву частиц; точки vst и vunst соответствуют равенству сил: Fcool = Fscat BETACOOL simulation

5 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва5/54 Конструкция системы электронного охлаждения 1 – электронная пушка, 2 – электростатические пластины для компенсации центробежного дрейфа, 3- тороидальные соленоиды, 4 – прямолинейные соленоиды, 5 – магнитный экран, 6 – коллектор электронов, 7 – магнитные корректоры орбиты ионов, 8 – ионный канал

6 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва6/54 Первая система охлаждения на НАП-М (1975)

7 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва7/54 Системы электронного охлаждения (статус на 2004)

8 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва8/54 Большой адронный коллайдер

9 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва9/54 Ускорительный комплекс в CERN

10 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва10/54 Система электронного охлаждения LEIR

11 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва11/54 Основные параметры системы охлаждения LEIR

12 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва12/54 Antiproton Decelerator (CERN)

13 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва13/54 AD parameters Lanzhou, 31 August 2009Lajos Bojtar, CERN BE-OP13

14 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва14/54 AD cycle Lanzhou, 31 August 2009Lajos Bojtar, CERN BE-OP14 Bunch rotation at injection reduces dp/p to fit better inside stoch. cooling acceptance Tune change at the end of the 2 GeV/c plateau Bunch rotation before ejection

15 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва15/54 Electron cooler Electron cooler was taken from the dismantled LEAR machine with some modification Lanzhou, 31 August 2009Lajos Bojtar, CERN BE-OP15

16 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва16/54 Electron cooler

17 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва17/54 Deceleration by drag force This year experiments to go below 100 MeV/c have been made with the beam successfully decelerated to MeV/c in 33 seconds Longitudinal Schottky signal

18 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва18/54 Extra Low Energy Antiproton Ring (ELENA) ELENA is a compact ring for further deceleration and cooling of 5.3 MeV pbars delivered by the AD The goal of ELENA is to increase the number of antiprotons in traps of AD experiments 2 orders of magnitude gain for ALPHA and ATRAP, several factors for ASACUSA

19 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва19/54 ELENA Layout

20 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва20/54 Электронное охлаждение позитронов

21 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва21/54 Накопитель S-LSR

22 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва22/54 Система охлаждения S-LSR

23 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва23/54 HIRFL-CSR Layout ε ΔP/P SFC20 ±5×10 -3 SSC10 ±1.5×10 -3

24 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва24/54 Cooler design 1- electron gun, 2-acceleration tube, 3-ion beam chamber, 4- cooling section, 5-collector electron beam, 6- high voltage generator. Система охлаждения CSRe

25 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва25/54 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 Parameters of CSRe electron cooler

26 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва26/54 CSRe electron cooler

27 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва27/54 Последние достижения на CSRe 200MeV/u 12 C 6+ was cooled in CSRe 400MeV/u 12 C 6+ was cooled in CSRe High voltage approached to 260kV Electron beam was 1A Longitudinal cooling force was measured in different electron beam angle and density Ion beam size was roughly measured

28 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва28/54 The FAIR Accelerator Facility 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 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва29/54 Parameters of the NESR Circumference Maximum bending power m 13 Tm Straight section length [m] Horizontal acceptance [mm mrad] Vertical acceptance [mm mrad] Momentum acceptance [%] Max. momentum deviation [%] ± 1.5 ± 2.5 Horizontal tune 4.2 Vertical tune1.87 Transition energy4.59 Maximum dispersion [m] Horizontal chromaticity

30 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва30/54 NESR Electron Cooler 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

31 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва31/54 Effective target thickness (pellets): cm -2 Beam radius at target (rms): 0.3 mm Mode Momentum range Antiproton number Peak luminosity Momentum spread Beam cooling High Resolution GeV/c cm -2 s -1 p/p 4 · Electron ( 8.9 GeV/c) High Luminosity 1.5 – 15 GeV/c cm -2 s -1 p/p = 1 · Stochastic ( 3.8 GeV/c) stochastic cooling printed loop coupler, 2-4 GHz (electron cooling) 5 MeV, 1 A, 20 m long Cooling in the HESR for PANDA

32 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва32/54 Система охлаждения HESR

33 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва33/54 CRYRING LSR CRYRING is very well suited to its new role as antiproton (and ion) decelerator. It has the right energy interval, fast ramping, efficient electron cooling, good vacuum, it has been running with both positive and negative ions, both for acceleration and deceleration,... Injection of antiprotons from NESR to LSR will be made at a fixed energy 30 MeV, and ions will be injected at the same magnetic rigidity. Extraction of antiprotons will take place at 300 keV, equal to the injection energy of the USR. Also extraction at other energies e.g, 4.2 MeV for HITRPAP, will be possible. Both fast (single-turn) and slow (resonant, multiturn) extraction will be implemented. The main modifications to CRYRING are thus new injection and extraction systems. CRYRING has a low-energy injector for singly charged ions, such as p and H –, which also will be transferred to FLAIR for commissioning of LSR, beamlines, etc. in the FLAIR hall without use of expensive antiprotons. Installation of an ECR source for commissioning and tests with highly charged ions is being considered.

34 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва34/54 Deceleration of Protons To verify the performance of CRYRING as a deceleration ring, protons have been decelerated through the same range of energies as at FLAIR, from 30 MeV to 300 keV.Injection of protons in CRYRING is always at 300 keV, so deceleration is made after acceleration to 30 MeV. Transmission 1 Start acceleration 93 % Cooling, acceleration ramp 100 % Start deceleration 99 % Deceleration ramp 92 % Complete cycle 0.95×0.97×0.84=85 % Deceleration only 0.99×0.92=91 % Transmission 2 Start acceleration 95 % Cooling, acceleration ramp 100 % Start deceleration 97 % Deceleration ramp 84 % Complete cycle 0.95×0.97×0.84=77 % Deceleration only 0.97×0.84=81 % Conclusion: CRYRING is already able to decelerate >1×10 8 (anti)protons with

35 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва35/54 The COSY Accelerator Facility -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

36 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва36/54 The Electron Cooler Design Values Electron energy up to 100 kV Electron current up to 3 A

37 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва37/54 Internal Target Experiments at COSY ANKE: Dipol spectrometer Polarized target Cluster target Solid state target WASA: Solenoidal field Pellet target

38 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва38/54 New 2MeV Electron Cooler

39 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва39/54

40 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва40/54

41 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва41/54

42 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва42/54

43 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва43/54

44 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва44/54 Система электронного охлаждения для RHIC

45 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва45/54

46 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва46/54

47 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва47/54

48 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва48/54 NICA scheme & layout 2.3 m 4.0 m Booster Synchrophasotron yoke Nuclotron Existing beam lines (solid target exp-s) Collider C = 251 m MPD Spin Physics Detector (SPD)

49 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва49/54 Electron cooling in Booster Parameters of electron cooling system 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 current, A1.0 Electron beam temperature long/trans, meV200 / 0.5 Misalignment of ion and electron beams axes5×10 -4

50 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва50/54 electron gun collector cryostat superconducting solenoids warm solenoids Layout of Booster Electron Cooler

51 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва51/54 Electron gun and collector Collector Electron gun

52 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва52/54 Electron cooling system of the Collider 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)

53 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва53/54 Electron cooling in Collider Parameters of electron cooling system 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, hour1.0

54 А.Смирнов, Применение электронного охлаждения в накопительных кольцах 16 октября, 2009FRRC семинар, ИТЭФ, Москва54/54 BETACOOL application over the world (since 1995) RIKEN, Wako NIRS, Chiba Kyoto Univ. Hiroshima Univ. Beijing Univ. 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 ITMP, Sarov BINP, Novosibirsk