При работе с ускорителями тяжёлых ионов одной из ключевых проблем является поддержание малой эмиттанс пучка, то есть ограничение рассеивания частиц в фазовом пространстве. Даже при идеальных условиях пучок подвергается различным видам возмущений: кулоновскому рассеянию между ионами (эффектам пространственного заряда), неоднородностям магнитного поля, взаимодействиям с остаточным газом в вакуумной камере, коллективным нестабильностям. Все эти процессы приводят к увеличению поперечного размера пучка, росту энергии его частиц и ухудшению фокусировки, что снижает эффективность экспериментов.
Для борьбы с этим эффектом применяются методы охлаждения пучков, которые уменьшают его температуру в фазовом пространстве, то есть уменьшают скорость разбегания частиц. Основные современные методы — это стохастическое охлаждение и электронное охлаждение. Каждый из них имеет собственные области применения и физические ограничения.
Принцип действия. Электронное охлаждение основано на взаимодействии пучка тяжёлых ионов с сонаправленным и сопоставимым по скорости пучком электронов низкой температуры. При совместном движении в магнитной системе происходит кулоновское взаимодействие: быстрые ионы передают избыток энергии холодным электронам, в результате чего пучок ионов “охлаждается”. Электроны при этом выводятся из системы и заменяются новыми, сохраняя низкую температуру.
Техническая реализация. Для реализации электронного охлаждения необходим электронный инжектор, создающий стабильный поток с энергией, точно соответствующей средней скорости ионов. Отклонения энергии электронов даже на 10⁻⁴ относительно энергии ионов приводят к снижению эффективности охлаждения. Электронный пучок транспортируется в соленоидальном магнитном поле, что позволяет сохранять его малую температуру и минимизировать поперечные колебания.
Области применения.
Ограничения. Метод наиболее эффективен при низких энергиях (от десятков МэВ/нуклон до сотен МэВ/нуклон). При увеличении энергии кулоновское сечение уменьшается, и охлаждение становится слишком медленным.
Физическая основа. Стохастическое охлаждение использует принцип обратной связи. Флуктуации плотности пучка измеряются с помощью датчиков (пикапов), усиливаются и подаются обратно через корректирующие электродинамические системы (кикеры), которые изменяют траекторию движения частиц. В результате за много оборотов в кольце среднее распределение частиц выравнивается, а разброс по скоростям и координатам уменьшается.
Особенности метода.
Области применения.
Технические аспекты. Система требует сложных радиочастотных устройств с высокой стабильностью. Ограничение связано с задержкой сигнала: чем больше энергия и длина кольца, тем труднее обеспечить согласование сигнала в реальном времени.
На практике часто используется комбинация методов. На низких энергиях пучок предварительно охлаждается электронами, что позволяет быстро снизить эмиттанс. После этого, при дальнейшем ускорении, подключается стохастическая система, способная поддерживать компактность пучка при высоких энергиях.
Такой подход реализован, например, в исследовательском центре GSI (Дармштадт), где тяжёлые ионы после линейного ускорителя сначала проходят через кольцо с электронным охлаждением, а затем направляются в накопители с системами стохастического охлаждения.
Современные исследования направлены на создание новых схем охлаждения для ионов при ультравысоких энергиях. Среди них: