HIRFL-CSRe高精度质量测量中电子冷却效应研究

HIRFL-CSRe既是一个电子冷却储存环，同时也是一台高精度质谱仪，可以用于原子核的高精度质量测量，目前已实现等时性模式下的原子核质量测量。电子冷却作用下的肖特基质谱仪测量是与等时性模式互补的质量测量方法，是CSRe即将开展的新研究方向。肖特基质谱仪是通过分析不同质量原子核在储存环中的回旋频率，辨别和测定原子核质量。其所能测量的原子核种类和所能达到的测量精度，决定于次级束电子冷却所需要的冷却时间和最终达到冷却平衡时的动量分散大小。本项目拟采用CSRe的300kV电子冷却装置，在国际上首次实现空心电子束冷却次级束流，通过理论和实验研究，优化冷却参数，缩短冷却时间，并将冷却到平衡状态的次级束动量分散减小至10E(-6)量级，实现CSRe电子冷却作用下的肖特基质谱仪测量未知原子核质量，测量精度达到10~30keV，接近并超过目前国际最好的肖特基质谱仪质量测量的分辨能力（约30keV）。

作为一台高精度质谱仪，兰州重离子冷却储存环-实验环(HIRFL-CSRe)的研究目标之一是精确测定各种原子核的质量。两种互补的质量测量方法——等时性质谱仪(IMS) 和肖特基质谱仪（SMS）——在HIRFL-CSRe中都被采用，以测量较大的荷质比范围、极短寿命（IMS方法）和寿命较长（SMS方法）的多种未知原子核的质量。而其中肖特基质量测量(SMS)方法中，必须采用电子冷却技术来冷却包含待测离子在内的不同种类离子组成的次级束流。冷却后次级束流所能达到的最小动量分散决定了肖特基质量测量的精度，而冷却时间的长短限制了可测量离子的寿命最小值。.本项目的研究目标就是探索电子冷却效应中，影响最终冷却状态——即储存束流所能达到的最小动量分散——和冷却时间的各种因素，寻找优化冷却过程的可行性方法，以提高肖特基质量测量的精度，并拓展可测量离子束流的寿命下限。.本项目研究取得的主要研究成果包括：1-HIRFL-CSRe储存环中200MeV/u的Xe54+束流最小动量分散达到7.6E(-6)，实现了项目申请书中“将储存束流的动量分散冷却至1.0E(-6)量级”的研究目标；2-在HIRFL-CSRe上测量了多种离子的电子冷却力，分析了影响冷却力的因素以及可变剖面电子束中心密度与冷却力之间的关系，明确了冷却力随电子束中心密度增长而增大的实验结论；3-升级了电子冷却装置内的电子束、离子束位置测量系统，研制开发了电子学系统和数据获取软件，采用了新的电荷灵敏放大器，可以同时在线测量冷却段内离子束和电子束位置；4-测量了电子冷却达到平衡状态之后，束流衰减过程中，多种离子束流的动量分散随储存离子数目变化的趋势，阐述了这种趋势产生的理论解释；5-安装测试了一套快速改变电子束能量的电子枪电源系统。.本课题的研究，积累了多种离子束流冷却过程中，动量分散、寿命、冷却力变化的实验数据，定量分析了影响冷却过程和冷却平衡态的关键参数，通过这些实验数据的分析与整理，优化了HIRFL-CSR储存环电子冷却的运行参数，成功实现了将储存束流的动量分散冷却至1.0E(-6)量级的研究目标，为高精度肖特基质量测量准备了必要条件。