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An electron cooler for ultra-low energy cryogenic operation

Shornikov, Andrey

German Title: Ein Elektron-Kühler für Ultra-Low-Energie kryogenen Betrieb

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Abstract

Zusammenfassung: Es werden grundlegende Konzepte zur Erzeugung eines kalten und extrem niederenergetischen, magnetisch geführten Elektronenstrahls entwickelt, welcher als Elektronen-Kühler und -Target am elektrostatischen kryogenen Speicherring CSR dienen soll. Die Machbarkeit sehr langsamer Elektronenstrahlen, mit kinetischen Energien unterhalb eines Elektronenvolts und Stromdichten, die den Anforderungen von Elektronenkühlung und ElektronIonKollisionsexperimenten genügen, wurde durch Experimente am Elektronen-Target des Speicherrings TSR unter Verwendung einer kryogenen Kathode unter Beweis gestellt. Ein Vakuum- und Magnetfeldsystem wurde konzipiert, das die Verwendung dieses extrem niederenergetischen Elektronenstrahls im CSR ermöglicht. Ein neuartiges Verfahren zum Zusammenführen von Elektronen- und Ionenstrahlen wurde entwickelt und mit Hilfe numerischer Magnetfeldund Teilchenspur-Simulationen analysiert. Ein Konzept zur Herstellung von Hochtemperatur- Supraleiter-Spulen, welche von Kryogen durchströmt werden, wird vorgestellt. Ein darauf basierender Spulenprototyp wurde gebaut und unter realistischen Bedingungen erfolgreich getestet. Um die Magnetspulen unabhängig von der Hauptkälteanlage des CSR zu betreiben, wurde ein auf tiefkaltem Neon basierendes zwei-Phasen- Niederdruck-Kühlsystem entwickelt, aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Die hier vorgestellte Arbeit liefert somit ein experimentell getestetes Konzept für den Bau des CSR-Elektronen-Kühlers.

Translation of abstract (English)

Abstract: Basic concepts are developed for realizing a cold, ultra-low energy, magnetically guided electron beam to serve as an electron cooler and an electron target for the electrostatic Cryogenic Storage Ring (CSR). The feasibility of ultra-low energy electron beams with sub-eV kinetic energy and densities sucient for electron cooling and merged-beam collision experiments is demonstrated at the TSR electron target using a cryogenic electron source. A mechanical and magnetic system is laid out for implementing this ultra-low energy beam at the CSR. A new electron and ion beam merging scheme is developed and analyzed by numeric magnetic eld and particle track calculations. The design concept of cryogen-lled HTS magnets was developed. For this purpose a prototype magnet was manufactured and tested under realistic operating conditions. A two-phase neon-based cryogenic low pressure cooling system to cool the magnets independent of the main CSR cooling machine was designed, constructed and successfully taken in operation. The reported work yields an experimentally tested design concept of the electron cooling system.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wolf, Prof. Dr. Andreas
Date of thesis defense: 20 June 2012
Date Deposited: 03 Jul 2012 11:31
Date: 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: electron cooling , electron beam , cryogenics , superconductor
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