BEAM DYNAMICS IN AN ULTRALOW ENERGY STORAGE RINGS (REVIEW OF EXISTING FACILITIES AND FEASIBILITY STUDIES FOR FUTURE EXPERIMENTS)

摘要

Storage rings operating at ultralow energies and, in particular, electrostatic storage rings have proven to be invaluable tools for atomic and molecular physics. Due to the mass independence of the electrostatic rigidity, these machines are able to store a wide range of different particles, from light ions to heavy singly charged biomolecules. However, earlier measurements showed strong limitations on beam intensity, fast decay of ion current, reduced lifetime, etc. The nature of these effects was not fully understood. Also a large variety of experiments in future generation ultralow energy storage and decelerator facilities including in-ring collision studies with a reaction microscope require a comprehensive investigation of the physical processes involved into the operation of such rings. In this paper, we present review of nonlinear and long-term beam-dynamics studies on example of the ELISA, AD Recycler, TSR and USR rings using the computer codes BETACOOL, OPERA-3D and MAD-X. The results from simulations were benchmarked against experimental data of beam losses in the ELISA storage ring. We showed that decay of beam intensity in ultralow energy rings is mainly caused by ion losses on ring aperture due to multiple scattering on residual gas. Beam is lost on ring aperture due to small ring acceptance. Rate of beam losses increases at high intensities because the intrabeam scattering effect adds to vacuum losses. Detailed investigations into the ion kinetics under consideration of the effects from electron cooling and multiple scattering of the beam on a supersonic gas jet target have been carried out as well. The lifetime, equilibrium momentum spread and equilibrium lateral spread during collisions with this internal gas jet target were estimated. In addition, the results from experiments at the TSR ring, where low-intensity beam of CF~+ ions at 93 keVucl. has been shrunk to extremely small dimensions have been reproduced. Based on these simulations, conditions for stable ring operation with extremely low-emittance beam are presented. Finally, results from studies into the interaction of ions with a gas jet target at 3-30 keV energy range are summarized.%Применение накопительных колец в области ультранизких энергий и, в частности, электростатических накопительных колец оказалось неоценимым инструментальным средством для молекулярной и атомной физики. Вследствие независимости электростатической жесткости от массы ионов такие машины способны накапливать широкий спектр различных частиц от легких ионов до тяжелых однозарядных молекул. Однако ранние эксперименты показали сильное ограничение интенсивности пучка, быстрое уменьшение тока пучка и снижение времени жизни. Природа этих эффектов не была полностью описана. Ряд экспериментов в будущих проектах накопителей ультранизкой энергии и устройств торможения пучка, включая изучение столкновения пучков с внутренними мишенями, требуют также исчерпывающих исследований физических процессов, присутствующих в работе таких колец. В данной статье представлен обзор исследований нелинейной и долговременной динамики на примере накопителей ELISA, AD Recycler, TSR и USR, проведенных с использованием компьютерных программ BETACOOL, OPERA-3D и MAD-X. Результаты моделирования протестированы на основе экспериментальных данных потерь пучка в накопителе ELISA. Показано, что снижение интенсивности пучка в накопителях ультранизкой энергии, в основном, определяется потерями ионов на апертуре вакуумной камеры из-за многократного рассеяния на остаточном газе. Пучок теряется на апертуре камеры благодаря малому размеру аксептанса накопителя. Скорость потерь частиц увеличивается с ростом интенсивности, потому что эффект внугрипучкового рассеяния добавляется к потерям на остаточном газе. Также выполнено детальное исследование кинетики ионов под воздействием эффектов электронного охлаждения и многократного рассеяния пучка на атомах газовой мишени. Сделаны оценки времени жизни пучка, равновесного продольного и поперечного разброса по импульсам вследствие взаимодействия с внутренней газовой мишенью. Кроме того, воспроизведены эксперименты на накопителе TSR, где низкоинтенсивный пучок ионов CF~+ на энергии 93 кэВ/нукл. был сжат до экстремально малого поперечного эмиттанса. На основе этих расчетов сформулированы условия для получения устойчивой работы накопителя с предельно малым поперечным эмиттансом. В конце статьи представлены результаты исследований взаимодействия ионов с газовой мишенью в области энергий 3-30 кэВ.