兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)由主环(CSRm)和实验环(CSRe)组成,每个环有一套电子冷却装置。电子冷却是通过以相同平均速度运动的离子束与强流电子束的库仑碰撞将离子束的横向振荡与纵向振荡能量转移到电子束,从而降低储存环中离子束横向发射度和纵向动量散度、提高束流品质目的的方法。CSRm电子冷却装置能够提供能量低于35keV、最大流强3A的准直性及单色性很好的电子束流,用于冷却能量低于64MeV/u的重离子束。

CSRm电子冷却装置的冷却作用使重离子束的横向尺寸显著缩小,为束流重复注入提供空间,从而实现重离子束流的累积。累积增益取决于电子冷却过程的冷却时间τ:其中,Qi和Ai为离子的电荷态和质量数,βi和γi为相对论因子,θi和θe为冷却段内离子束和电子束相对于储存环真空管道中心轴的张角,ηec为冷却段长度和储存环周长的比值,je为电子束密度。装置冷却段内离子束与电子束的相对位置决定了两者之间的夹角,进而影响束流的冷却时间。据此,在CS-Rm的电子冷却装置上建立了用于同时测量电子束和离子束位置的测量系统,测量各种校正线圈对电子束和离子束位置的影响,优化装置运行中束流的相对位置,提高对重离子束的冷却效率。

在电子冷却装置冷却段两端各装有一套圆筒形束流位置探针,每套探针由4个彼此绝缘、电学特性相同的圆筒形极板组成。极板由半径100mm、长度8mm和壁厚1mm的圆筒形不锈钢材料沿对角面对称切割而成,并按照相对于束流的上下左右关系对称安装在真空管道内。因为极板为圆筒形且沿对角面对称切开,所以有较大的感应面积,感应灵敏度高,线性度好。当束团通过时,极板可等效为一电流源,探针极板上产生感应电荷,进而产生极板对地的电压,该电压受带电粒子与极板之间距离的影响:包括前置放大器、数据采集卡以及电子束调制、离子束测量触发、计算机(数据处理软件)系统。前置放大器选用PET公司P/NAM-4A-000110-11030N型宽带放大器,对探针极板感应的弱信号进行线性放大,之后送入60MS/s实时采样率、12位垂直分辨率的PXI-51058通道高精度数字化仪进行数据采集,通过软件对数据进行傅里叶变换、频谱信号强度分析获得束流位置信息。

由于容式位置探针只能感应束团信息,故不能测量直流电子束在极板上的感应信号;而且冷却过程中直螺线管冷却段内电子束与离子束同时存在,电子束和离子束流强相差3个量级,使得电子束和离子束团感应在极板上的信号叠加,时域信号分析不能得出电子束与离子束团信息。为此,位置测量时需要对电子束进行频率调制,通过傅里叶变换将探针极板上感应的时域信号转换为频域信号,频谱中不同的频率信号表示电子束、离子束团的不同感应信号。调制方法是在电子枪端对电子束发射控制极电源进行频率调制,调制频率要求区别于离子束团的回旋频率,以便于后期分析频谱信号。根据离子束团在CSRm回旋频率范围为0.2-1.6MHz的条件,系统选择由外部信号源提供的频率为3MHz的正弦信号作为调制信号。频谱分析时3MHz频率信号为电子束感应信号,相应能量的离子回旋频率信号为离子束团感应信号。针对各极板上束流频率信号强度,按照公式(3)和(4)获得束流位置信息。为了防止电子枪端35kV高压对调制信号的电磁干扰,外部调制信号转换为光信号经光纤传送至调制模块。

离子束测量触发系统的触发信号使用储存环加速腔产生的回旋频率信号或者加速器事例触发系统提供的事例触发脉冲,触发脉冲经光纤传送至高精度数据采集卡触发数据采集,以保证离子束团位置测量同步。

由于位置探针已安装于电子冷却段真空管道内,系统不能进行实验室离线测试,为了检查测量系统的准确性,需要进行电子束校正线圈偏移能力的在线测试。校正线圈是沿电子束运动方向安装在电子束真空管道四周的22组线圈,参数不同的线圈对电子束有不同的偏移能力。其中4组线圈(CX1,CX2,CY1,CY2)在电子枪区域对电子束进行偏移;6组线圈(CX3,CX4,CX5,CY3,CY4,CY5)在电子枪端弯曲螺线管区域对电子束进行偏移;2组线圈(CX6,CY6)在直螺线管冷却段区域对电子束进行偏移;CX表示电子束水平方向的线圈,CY表示电子束垂直方向的线圈。

测量系统测量线圈在不同电流下电子束的位置,进而统计、拟合获得相应线圈的实验偏移能力。通过比较线圈理论偏移能力和实验偏移能力的差别,判断测量系统位置测量的准确性。图4给出了电子束水平(a)和垂直方向(b)的线圈CX6和CY6在不同电流下电子束位置测量和偏移能力线性拟合结果。表1给出了部分校正线圈理论偏移能力、实验偏移能力和它们的偏差量。结果表明,线圈理论偏移能力和实验偏移能力差别小于0.5mm/A,即测量系统有较好的位置测量准确性。

离子束在7-25-175MeV/u的加速过程中一个注入、累积、加速周期流强结构图。首先离子在7.0MeV/u经过持续9.5s的注入冷却累积至110μA;接着进行高频捕获(a点)、第一次加速,离子束能量提高到25MeV/u,流强达到180μA;然后进行第二次高频捕获(b点)、加速,12.5s时刻加速结束(c点),这时离子束能量提高到175MeV/u,流强达到400μA;最后束流储存2s后慢引出。每个周期中离子束在高频捕获、加速过程中,离子束团回旋频率改变,探针极板上感应信号频谱发生改变,位置信息可获得。电子束感应信号在3MHz调制频率有类似频谱信号,电子束位置信息也可获得。X表示水平方向,Y表示垂直方向。

可知,在电子冷却装置4m长的冷却段内电子束与离子束存在夹角,水平方向电子束与离子束夹角为0.825mrad,垂直方向电子束与离子束夹角为1.025mrad,垂直方向离子束比电子束低大约11mm(如图6所示)。由于电子束在冷却段内的直径为59mm,电子束能够包裹离子束,这时电子束对离子束仍有高的冷却效率。当然,通过电子冷却装置内的校正线圈以及储存环内的校正磁铁可分别对电子束和离子束进行位置调节,最终使得离子束与电子束相互平行且束流中心位置重合。