Elektronklaser holder ioner kølige ved RHIC

Acceleratorfysikere har demonstreret en banebrydende teknik ved hjælp af bundter af elektroner til at holde partikelstråler kølige ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - et amerikansk Department of Energy Office of Science brugeranlæg til atomfysisk forskning ved Brookhaven National Laboratory. Denne "bundtet stråle" elektronkøleteknik vil muliggøre højere partikelkollisionshastigheder ved RHIC, hvor forskere studerer kollisionsresterne for at lære om byggestenene i materie, da de eksisterede lige efter Big Bang.

Brookhavens acceleratorhold tester metoden ved kolliderens laveste energier - et regime, hvor data har været knappe endnu, er afgørende for at forstå, hvordan partiklerne, der fyldte det tidlige univers, omdannes til det almindelige stof, der udgør vores verden i dag.

"Lavenergibetingelserne er faktisk de mest udfordrende for denne teknik, "sagde Alexei Fedotov, Brookhaven Lab acceleratorfysikeren, der ledede indsatsen og teamet på næsten 100 mennesker, der fik det til at ske.

"Nu hvor vi har demonstreret bundtkøling i den mest udfordrende energisituation, det åbner muligheden for at anvende de samme principper på højere energier-herunder ved en mulig fremtidig elektron-ion-kollider, " han sagde.

At overvinde udfordringer

Præstationen bygger på en idé, der blev opfundet for lidt over 50 år siden af ​​den russiske fysiker Gersh Budker - nemlig, ved hjælp af en elektronstråle (som i sagens natur er køligere end større partikler, der bevæger sig med samme hastighed) til at udtrække varme fra en stråle af større partikler. Dette holder partiklerne tæt pakket og mere tilbøjelige til at kollidere. Men Brookhaven-versionen indeholder en række første-i-verden-præstationer og innovationer, selv eksperter på området tvivlede på kunne lykkes så hurtigt.

"Der var mange fysiske og tekniske udfordringer at overvinde, "Noterede Fedotov.

Teamet skulle bygge og idriftsætte en ny state-of-the-art elektronaccelerator, der ville passe ind i RHIC-tunnelen-som omfattede brug af mere kompakt radiofrekvens (RF) accelerationsteknologi frem for standard jævnstrøm (DC) metode, der blev brugt i alle tidligere elektronkølende opsætninger. Og fordi RHICs ioner cirkulerer som periodiske partikler, ikke en kontinuerlig strøm, elektronerne skulle fremstilles i pulser, der matchede med disse bundter - ikke kun i timing, men også i energi og bane - alt sammen med bevarelse af deres iboende kølighed. Plus, fordi RHIC virkelig er to acceleratorer, med ionstråler, der bevæger sig i modsatte retninger i to strålerør, fysikerne måtte finde ud af at køle begge stråler med den samme strøm af elektroner!

"Ellers havde vi været nødt til at bygge to af disse elektronacceleratorer, "Sagde Fedotov.

"Det er faktisk en enorm installation bestående af mange komplekse komponenter, herunder 100 meter strålelinje, hvor de accelererede elektroner formerer sig med ionerne i en RHIC -stråle for at udtrække deres varme, lav derefter en 180-graders drejning for at afkøle ionerne i den anden RHIC-stråle, der bevæger sig i den modsatte retning. Det er aldrig gjort før! "

Generering af elektroner

For at generere og hurtigt fremskynde disse præcisionselektronbunker, holdet brugte en laseraktiveret fotokatodeelektronpistol efterfulgt af et accelererende RF-hulrum. Pistolen bruger en højfrekvent højeffektlaser og Brookhaven-designede fotokatoder, der transporteres 12 ad gangen i et vakuumkammer fra Brookhaven's Instrumentation Division til RHIC-tunnelen. En gang på RHIC, vakuumkammeret kan rotere som et pariserhjul for at slukke fotokatoder, når de slides, mens RHIC kører, gør det muligt for pistolen at køre med høj strøm til langvarig drift, når adgangen til RHIC er begrænset.

"Da vi først talte om dette design, i 2015, dette var kun en tegning! "sagde Fedotov." Nu bruger vi det rutinemæssigt. "

Den grønne laser, der udløser fotokatoderne til at udsende elektronpulser, er også den første af sin art-den højeste gennemsnitlige grønne laser, der nogensinde er genereret af en enkelt fiberbaseret laser. Præcisionsjustering og trimning af laserpulserne styrer frekvensen af ​​elektronbundterne, der genereres til køling.

Laser- og fotokatodepistolen producerede de første elektronpulser i maj 2017. Derefter, efter idriftsættelse af de første syv meter beamline (injektoren til speederen) i slutningen af ​​2017, holdet installerede 100 meter beamline, herunder fem RF -hulrum og lige kølesektioner dækket af flere lag magnetisk afskærmning, i januar 2018. De brugte derefter sidste år på at idriftsætte hele elektronacceleratoren.

Holder det køligt

"Hovedudfordringen var at levere en stråle med alle de egenskaber, der kræves til køling - hvilket betyder små relative hastigheder i alle retninger, med matchende energier og små vinkler-og derefter udbrede denne meget lavenergi-elektronstråle langs 100 meter stråletransportlinje og samtidig bevare disse egenskaber, "sagde Dmitry Kayran, acceleratorfysikeren, der ledede idriftsættelsesindsatsen.

Kayran beskrev arbejdet med simuleringer, der gik til optimering af stråleparametre, som styrede installationen af ​​stråleovervågningsinstrumenter, hvilket igen bestemte placeringen af ​​RF -accelerationshulrummene.

"På grund af acceleration, strålekvaliteten kan forringes, så du har brug for denne overvågning og omhyggelige justeringer for at holde energispredningen så lav som muligt, "Sagde Kayran.

"Design af kølesektioner til lavenergi RHIC-elektronkøling (LEReC) er unikt, "sagde acceleratorfysikeren Sergei Seletskiy, der ledede den del af indsatsen. "At bevare strålekvaliteten i disse kølesektioner i begge RHIC -ringe er en udfordring, og igen noget, der er blevet demonstreret for første gang med dette projekt.

"Mange unikke funktioner og udfordringer ved vores projekt hænger sammen med, at, for første gang i 50 år, vi anvender elektronkøling direkte ved ionkollisionsenergi, "bemærkede han." At se alt dette hænge sammen og arbejde med at afkøle ioner med bundte elektronstråler og i to kolliderringe på én gang er fantastisk. Dette er en stor præstation inden for acceleratorfysik! "

Det næste trin vil være at vise, at afkøling øger kollisionshastighederne ved næste års RHIC lavenergikollisioner-og derefter udtrække data og hvad de afslører om stofets byggesten.

Med en bundtet stråle elektronkøleteknik nu eksperimentelt demonstreret på Brookhaven Lab, dets anvendelse til højenergikøling kan åbne nye muligheder ved at producere højkvalitets hadronstråler, der kræves til flere fremtidige acceleratorfysikprojekter, herunder den foreslåede Electron-Ion Collider (EIC).

LEReC blev finansieret af DOE Office of Science og nydt godt af hjælp og ekspertise fra mange i Brookhaven Labs Collider-Accelerator Department og Instrumentation Division, samt bidrag fra Fermi National Accelerator Laboratory, Argonne National Laboratory, Thomas Jefferson National Accelerator Facility, og Cornell University.