Elektronenkühlung

Elektronenkühler (links im Bild) im LEIR/CERN. Die Elektronenquelle und Elektronenauffangeinrichtung befinden sich in den oben angeordneten silbernen Zylindern

Die Elektronenkühlung ist ein Verfahren, um einen Strahl in einem Teilchenbeschleuniger mittels eines Elektronenstrahls zu kühlen, d. h. die Größe der Teilchenpakete im Phasenraum bzw. die Emittanz zu verkleinern. Dabei muss die Masse der Teilchen des zu kühlenden Strahls größer als die Elektronenmasse sein.

Geschichte

Im Jahr 1966 wurde von Gersch Izkowitsch Budker die Elektronenkühlung als ein Verfahren zur Dämpfung von Oszillationen eines Protonenstrahls in einem Speicherring vorgeschlagen. ^[1] Erstmalig demonstriert wurde die Elektronenkühlung im Jahr 1974 am „NAP-M“-Speicherring im Budker Institute of Nuclear Physics (BINP).^[2][3] Am CERN wurde eine erste Anlage im Jahr 1977 errichtet.^[4] Heutzutage kommt die Elektronenkühlung in vielen Synchrotron-Teilchenbeschleunigern und Speicherringen zum Einsatz.

Funktionsweise

In einer Elektronenkühlanlage werden möglichst kohärente „kalte“ Elektronen mit einer genau an den zu kühlenden Strahl schwererer Teilchen angepassten Geschwindigkeit erzeugt und in diesen eingekoppelt. In einer geraden Flugstrecke von üblicherweise wenigen Metern stoßen gehäuft solche Teilchen an die Elektronen, die nicht mit dem Elektronenstrom mitschwimmen. Durch diese Stöße kommt es zur Impulsabgabe an die Elektronen und damit zur Kühlung des Strahls. Am Ende der gemeinsamen Flugstrecke werden die Elektronen ausgekoppelt und aufgefangen.

Der zu kühlende Teilchenstrahl kann mittels Elektronenkühlung nur soweit abgekühlt werden, bis dieser mit dem Elektronenstrahl im thermischen Gleichgewicht steht.

Die Energie, um Elektronen der Masse m_e auf die gleiche Geschwindigkeit wie Partikel der Masse m_p und der Energie E_p zu beschleunigen ist $E_e=\frac{m_e}{m_p} E_p$.

Nutzung

Die Elektronenkühlung ist ein wichtiges Hilfsmittel bei der Erzeugung von Antimaterie, so bietet am Antiproton Decelerator im CERN im die Elektronenkühlung eine höhere Kühlrate als die stochastische Kühlung.

Der Einsatz in Vorbeschleunigern ist ebenfalls weit verbreitet, beispielsweise werden so im LEIR Bleiionen für den LHC bereitgestellt.

Weitere Anwendung findet die Elektronenkühlung bei der Verbesserung der Strahlqualität, etwa am Kühlersynchrotron COSY.

Der Einsatz der Elektronenkühlung wird durch die zur Beschleunigung der Elektronen nötige Energie eingeschränkt, so waren in bisherigen Elektronenkühler-Anlagen Elektronenenergien von bis zu maximal 300 keV üblich, entsprechend einer Protonenenergie von 550 MeV.^[5] Bei höheren Geschwindigkeiten kam daher die stochastische Kühlung zum Einsatz.^[4]

Die größte Anlage befindet sich am Fermi National Accelerator Laboratory. Dort werden seit Mitte Juli 2005 auf einer 20 m langen Kühlstrecke Antiprotonen mit einer Energie von bis zu 8 GeV durch Elektronen mit einer maximalen Elektronenenergie von 4,3 MeV gekühlt. Im Betrieb fließt ein Strom bis zu 0,5 A.^[3]

Weblinks

• [1] ECOOL Webseite (englisch)

Einzelnachweise

1. ↑ G. I. Budker: An effective method of damping particle oscillations in proton and antiproton storage rings. In: Atomic Energy. 22, Nr. 5, 1967, S. 438-440. doi:10.1007/BF01175204.
2. ↑ G. I. Budker et al.: Experimental Studies of Electron Cooling. In: PAAC. 7, 1976, S. 197.
3. ↑ ^{a b} Sergei Nagaitsev: Electron cooling demonstration with Recycler 8.9-GeV/c pbars. Fermi National Accelerator Laboratory, 19. Juli 2005, abgerufen am 19. Januar 2011 (pdf, englisch). 
4. ↑ ^{a b} Gerard Tranquille: ICE-cool beams just keep on going. CERN Courier, 25. Aug. 2009, abgerufen am 30. Dez. 2009 (englisch). 
5. ↑ Frank Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. 2 Auflage. Springer Verlag, Berlin 2008, ISBN 978-3540752813, S. 359, doi:10.1007/978-3-540-75282-0.