超低温电子冷却物理及关键技术研究

Electron cooling with ultra-cold electron beam is one of the key technologies for the electron cooling study and the high precision electron-ion collision spectroscopy study. The electron source based on photocathode and the adiabatic acceleration, adiabatic magnetic transverse expansion are the current hotspots to develop ultra-cold electron cooling devices. This project focused on the key technology of the electron cooling with ultra-cold electron beam, include: researching on the physics process of the cooling and electron-ion collision with ultra-cold electron beam; investigating the influence of the electron beam temperature on the cooling effect at HIRFL-CSR; studying on the physical theories and mathematical models of the electron beam thermal equilibrium state disturbed by accelerating and transferring; calculating the electron beam temperature in the cooling device; measuring the electron beam temperature obtained by the Negative Electron Affinity (NEA) semiconductor photocathode GaAs. Research of the project can provide theoretical and experimental support for the electron cooling with ultra-cold electron beam and promote the beam cooling research.

超低温电子冷却技术是推动未来电子冷却物理及电子离子碰撞高精度谱学研究发展的关键技术之一，采用光阴极电子枪和通过绝热加速、绝热展开降低电子束温度是超低温电子冷却研究领域的热点与前沿。本项目针对超低温电子冷却物理和关键技术问题，开展电子束温度对冷却过程及电子离子碰撞谱分辨的影响理论和模拟计算及基于HIRFL-CSR平台的实验研究；建立电子束密度分布热平衡扰动的物理模型，采用数值模拟方法研究电子在冷却装置中的加速和传输过程中的温度变化；搭建电子束温度测量平台，开展利用负电子亲和势砷化镓光阴极获取低温电子束温度阈值的研究。本项目研究将为基于光阴极的超低温电子冷却技术提供理论和实验依据，解决关键技术问题，推动国内电子冷却技术的发展。

本项目旨在研究基于光阴极电子枪实现超低温电子冷却的物理机制和关键技术问题，探索电子冷却装置中影响电子束温度的主要因素，进而寻找抑制电子束温度增长的理论方案和技术手段，解决超低温电子冷却技术应用面临的理论瓶颈和关键技术问题。.本项目的研究内容包括理论分析、数值模拟和实验研究三部分内容：理论分析主要包括电子束在冷却装置磁场运动过程中，由于磁场缺陷及磁场弯曲引起的电子束温度变化；通过数值模拟方法跟踪电子在冷却装置中的运动轨迹，采用统计方法分析电子束特征参数；实验研究主要开展光阴极电子枪发射电子束温度参数——发射度与能量分散的精确测量，测量并系统分析了不同磁场参数下束流冷却过程。.在项目执行期间，课题组完成了项目申请书制定的所有研究内容，实现了拟定的研究目标。.首先，提出一种通过测量电子束能量分布分析并测量电子束温度的方法，研制了穿透式法拉第筒电子束能散测量装置，安装于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置CAEP THz FEL，顺利实现了负电子亲和势砷化镓（NEA-GaAs）光阴极电子束温度测量。其次，基于兰州重离子冷却储存环（HIRFL-CSR）300keV高压系统升级改造工作，实现了不同绝热传输参数下束流冷却过程的实验研究，通过该研究使得横向冷却效果显著提高。同时，开发了基于蒙特卡洛方法的电子束运动模拟程序，可以计算并跟踪电子在不同构型电磁场中的运动，满足电子冷却装置对电子束运动计算的基本需求。该程序不仅用于本项目所需的低温电子束传输模拟研究，而且应用于国家重大科技基础设施——强流重离子加速器（HIAF）450keV电子冷却装置物理设计工作。.项目研究结果表明，基于负电子亲和势砷化镓（NEA-GaAs）光阴极电子枪，具备提供横向电子束温度小于56meV的高品质电子束流的能力，可以应用于未来超低温电子冷却装置和专用电子内靶的建设。.在项目支持下，课题组共发表学术论文19篇，其中SCI收录4篇，EI收录1篇，获得发明专利1项，培养博士生3名，硕士生2名。项目负责人获得2019年国际束流冷却会议Dieter Mohl青年科学家奖。