离子束在双静电离子环中的首次存储实验-DESIREE
原文作者：H. T. Schmidt,1 R. D. Thomas,1 M. Gatchell,1 S. Rosacute;en,1 P. Reinhed,1 P. Luml;ofgren,1 L. Bruml;annholm,1 M. Blom,1 M. Bjuml;orkhage,1 E. Buml;ackstruml;om,1 J. D. Alexander,1 S. Leontein,1 D. Hanstorp,2 H. Zettergren,1 L. Liljeby,1 A. Kuml;allberg,1 A. Simonsson,1 F. Hellberg,1 S. Mannervik,1 M. Larsson,1 W. D. Geppert,1 K. G. Rensfelt,1 H. Danared,3, 1 A. Paacute;al,1 M. Masuda,1 P. Halldacute;en,1 G. Andler,1 M. H. Stockett,1 T. Chen,1 G. Kuml;allersjuml;o,1 J. Weimer,1 K. Hansen,2 H. Hartman,4, 5 and H. Cederquist1
摘要：我们在斯德哥尔摩大学报道了称为DESIREE的双静电离子环实验中离子束的首次储存实验。我们已经在溅射离子源中产生了碳原子阴离子和小型碳阴离子分子束(，n=1,2,3,4)，离子束被加速到10千电子伏动能，并储存在13K的真空中封闭的静电离子储存环中。对于10keV分子阴离子，我们使用两个独立的检测器系统测量残余气体限制光束存储寿命为448splusmn;18s。根据测量的储存寿命，我们估计残余气体压力在10-14毫巴范围内，当注入大电流离子束时，存储粒子的数量并不遵循单一指数衰减规律，这是由于与残余气体碰撞时电子脱离而丢失，而造成存储粒子与预期不同。相反，我们观察到更快的初始衰变速率，这归因于离子束的空间电荷对存储容量的影响。
关键词:离子加速器;粒子束注入;空间电荷;双静电离子环实验
I.导言
位于斯德哥尔摩大学[1，2]双静电离子环实验的建设接近完全完成。DESIREE的主要目标是研究千电子伏特的正负离子束在非常低且控制良好的质心能量(低至几兆电子伏)和非常低的内部温度(低至几K氏度)下的相互作用。为了实现这一点，两个周长为8.6m的静电离子存储环被构造成具有共同的合并部分，并安装在低温铝真空室的内部(离子光学布局见图1)。该真空室位于外部钢制真空室的内部，由四个两级低温发生器中较冷的第二级冷却。低温发生器的第一级热连接到安装在钢制真空室内部的铜网上。除了少数激光观察口和两个离子束注入口外，该屏幕完全封闭了低温铝腔。为了进一步绝缘，铜网被30层超级绝缘覆盖。该系统温度可能会低于10K氏度。这种低温也导致真空室壁的除气率非常低，因此获得了极好的真空。原子、分子和团簇离子束可以储存很长时间，在此期间红外活性物质将与周围环境达到热平衡[1]。这里，我们介绍了DESIREE第一次低温操作和离子存储实验的结果，使用了10千电子伏原子和小分子碳阴离子束Cminus;,,,和。
DESIRE将是独一无二的，因为没有其他设施将合并光束结合在一起在低温环境中长时间储存的几何形状。然而，有许多静电存储设备正在运行或在建设中，它们与DESIREE有一些共同的特征。建造的第一个静电离子储存环是酶联免疫吸附试验环(奥尔胡斯的静电离子储存环)，周长7米，[3]。酶联免疫吸附试验项目介绍了用两个圆柱形160°弯头和四个10°偏转器实现的闭合轨道的总体布局。它的几个追随者使用了相同或非常相似的设计。一个室温储存环，类似于酶联免疫吸附试验，并配备了一个合并的电子束，建于日本筑波[4]。东京都大学建造了一个液氮冷却储存环，并已运行多年，[5]。法兰克福大学已经建造了一个稍大一点的静电存储环，它具有非常不同的离子光学布局，将在室温下工作，[6]。法兰克福圆环目前正在试运行，奥胡斯大学的一个周长4米的室温圆环也在试运行。在海德堡的马克斯-普朗克核物理研究所，一个非常雄心勃勃的项目即将实现:一个周长为35米的单一低温静电离子储存环正在建造中，将配备一个内部气体喷射靶、一个离子中性合并区和一个电子冷却器靶装置[8]。一个周长约为3米的低温环正在日本的立根建造中。此外，利雅得的阿卜杜勒阿齐兹国王科学城正在建造一个新的静电环。
随着更大静电存储环的发展，静电离子束阱形式的更小和更紧凑的装置的发展。在这些陷阱中，离子在两个聚焦静电镜之间以千电子伏特动能移动。第一批EIBTs是同时开发的，显然在魏茨曼研究所和伯克利分校的小组之间没有相互交流。以色列陷阱的设计通常被称为扎伊夫曼陷阱，几个实验室已经开发了自己版本的这种——通常是室温操作的——装置。一个这样的陷阱已经在[贝尔法斯特女王大学建立起来。作为海德堡企业社会责任项目的一部分，扎伊夫曼阱已经安装在低温室内，几分钟的储存寿命已经演示过。EIBT的另一个更简单的设计是所谓的ConeTrap，它是在斯德哥尔摩大学开发的。该装置已安装在DESIREE项目的低温试验箱中，亚稳态氦离子寿命的高精度测量已在[16]进行。通过这个实验，低温离子存储的巨大优势被清楚地证明为弱束缚(77兆电子伏)氦离子在10千工作温度下不会被黑体辐射的吸收所破坏。新的有趣的发展是两个室温台式静电离子存储环:里昂的微型环，它在18号运行中；以及东京都大学的micro;-环，它将于2013年在19号运行。
图一：DESIREE的两个储存环使用的静电元件和检测器:CD柱面160°偏转器。DE–10°偏转器。量子点-四极偶极子。磁流变融合区封装在七个漂移管电极中。共线激光相互作用的直截面。合并区域中性产品图像检测器。光学透明二次电子发射探测器。移动位置敏感探测器。D1-、D2-、D3-光束合并偏转器(注意，由D3和DE表示的偏转板将对称环中的光束弯曲10°，将非对称环中的光束弯曲由两个光束存储能量确定的角度)。CC-，CV-校正元件。聚氨酯-静电拾取电极。射频束聚束电极。图中包括的注射管线部分位于主DESIREE真空外壳内。DESIREE中安装了四个位置敏感探测器。其中两个(内径)和(内径)检测本工作中使用的对称环中的中性粒子。参考文献中给出了储存环的更详细的技术描述。[1]
二.实验
负原子和小分子碳离子在溅射离子源中产生，并加速到10千电子伏。使用90°双聚焦弯曲磁铁选择特定的离子种类，然后通过静电操纵和聚焦元件，通过几个不同的泵送阶段，将离子种类输送到DESIREE储存环。束线中的一组偏转板连接到高压开关，以形成注入DESIREE存储环之一的短离子脉冲。在图1中，示意性地示出了两个环的离子光学元件。右边的环有四重对称性，称为对称环。这是合并束实验中两束光中较轻的一束，目标是低离子-离子碰撞能量，将被储存在这里。为了操纵和定位两个离子束进行合并，在储存较重粒子的另一个环中需要额外的水平操纵器。因此，图1左侧的环称为不对称环。这里描述的测试实验是在对称环中进行的。
离子束进入位于右下角的DESIREE真空外壳，图1中的图片。在第一次通过10个注入板时，离子束向右偏转，以便进入储存环的闭合轨道。在束流旋转一整圈之前，这些注入板上的电压被切换，使得束流在旋转一整圈后向左偏转，然后这些偏转器成为封闭轨道离子光学器件的一部分用于存储。离子束持续时间设置为5-10秒，比储存离子的旋转时间短(10千电子伏碳离子为21.6秒)。离子光学元件上的电子噪声原则上可能会限制离子存储时间，特别是在我们正常工作的非常低的残余气体压力下。为此，我们在电源和高压放大器中为存储环中的所有离子光学元件使用5赫兹低通滤波器。噪声水平经测量优于最大电压的1ppm均方根值。对于需要快速上升和下降时间(100ns)的注入板，开关式低通滤波器耦合在快速Behlke开关(类型:HTS301-03-GSM)的输出端和偏转电极之间，以降低离子存储期间开关的噪声。在注入过程中，这些开关式低通滤波器被高压继电器停用几毫秒。这里的关键是在离子存储几毫秒后，低通滤波器被激活，噪声再次衰减约40dB。
为了检测储存的离子束脉冲，可以使用静电拾取电极和中和粒子检测器。水平和垂直拾取电极放置在合并部分的两端，因此对于两个环是共用的。对称环上安装有两个中性线检测器。一种是三叠75毫米直径的微通道板检测器，荧光屏阳极置于合并部分之后(图1中的标识)。对于本测试，荧光屏由光电倍增管从外部观察，但是也可以使用电荷耦合器件照相机来获得位置信息[20，21]。另一个检测器安装在环注入侧的直段之后，是一个40毫米三叠层微通道板检测器，带有电阻阳极(图1中的纵向)。该探测器可以通过低温和真空兼容步进电机移动，以允许共线激光束通过。
实际的存储测试是通过注入一束离子，然后记录注射后，两个中性粒子检测器(内径和外径)上的计数率作为时间的函数。基于PC机的多通道定标系统用于采集数据。此外，记录来自合并部分中的静电拾取电极的信号。当C-环在室温和10-8毫巴范围内的压力下工作时，原子负离子束已经储存。此外，测量是在低温条件下进行的，包括储存10千电子伏，,,和离子束。对于低温操作，储存寿命大大超过注入离子脉冲去束的时间尺度，我们可以根据注入后短离子束宽度的时间发展确定注入束的相对速度分布约为1times;103。
三.结果和讨论
图2:在注入10千电子伏碳束后，撞击成像探测器(图1中的标识)的中性碳原子的计数率作为时间的函数。测量在室温下进行，残余气体压力为5.0times;108毫巴。由于没有离子束的探测器背景计数率，全曲线是用单个指数函数加上常数对数据的拟合。
控制损失机理，并根据残余气体碰撞中阴离子的破坏速率推导出平均有效分离截面，
Gamma;RG=1/tau;:lt;sigma;gt;300K==4.2times;10minus;15cm2，（1）
其中kB是玻尔兹曼常数，f=46.3千赫是储存离子的旋转频率，T=300千赫是真空室的温度。Luna等人[22]发现，对于惰性气体目标，分离截面约为1times;10-15cm2，速度非常相似。与参考文献中的惰性气体原子相比，我们认为残余气体分子的物理尺寸更大是我们更高的价值。[22]。
低温操作使用四个闭路氦低温发生器。在图3中，内部真空室壁和热屏的温度显示为低温发生器首次开启后时间的函数。所有的离子光学元件都与内腔热连接，并且温度相同。连续冷却16天后，最终内室温度达到13K。冷却的最后一天温度的快速下降是由于材料在低于100K的温度下热容量的显著降低。在这个初始冷却实验中，钛升华泵的运动馈通连接器不幸被卡住，这给系统带来了相当大的额外热负荷。
图3:在2012年9月首次开启低温冷却器后，作为时间函数的内部真空室和热铜屏的测量温度。温度由温度敏感的硅二极管监控。
该连接器被设计成单独为六个钛升华泵服务，通常它会缩回，这样就没有从外部到内室的机械连接。由于这个问题现在已经解决，我们预计下次冷却系统时温度会更低。然而，在以下讨论中给出的结果是在13K下获得的。
由于所有的离子光学元件都安装在一个普通的铝板上，这是意料之中的改变温度只会对离子储存条件产生很小的影响。事实上，发现完全相同的环设置在室温和低温下都能储存。然而，为了达到最佳条件，在室温和低温操作之间转换时，需要进行一些微调。此外，由于储存环和注射管线因前者冷却而发生相对位移，因此有必要修改注射设置。在图4中，中性碳原子的速率显示为低温操作下注入一万电子伏碳阴离子束后时间的函数。与图2的相应室温结果相比，一些非常显著的差异是显而易见的。首先，光束存储时间现在要长得多。在低温下，残余气体密度大大降低，因此碰撞电子脱离造成的损失率也同样降低。虽然低温环境中的压力没有直接测量，但在以下分析中，我们将使用测量的损失率来推断残余气体密度。冷操作和热操作之间的第二个重要区别是计数率不再遵循由于残余气体碰撞而具有恒定衰减率的情况的单指数行为特征。相反，当大量离子一起循环时，衰变开始时更快。因此，另一种损耗机制正在起作用，这是由离子本身之间的相互作用引起的。这可能与离子束的空间电荷抵消用于聚焦离子束和获得稳定闭合轨道的四极双对效应有关。
图4：在注入10keV C-离子束之后，作为时间函数的中性粒子（图1中的MD）的可移动探测器的计数率。 内真空室的温度为T = 13K
冷操作和热操作之间的第二个重要区别是计数率不再遵循由于残余气体碰撞而具有恒定衰减率的情况的单指数行为特征。相反，当大量离子一起循环时，衰变开始时更快。因此，另一种损耗机制正在起作用，这是由离子本身之间的相互作用引起的。这可能与离子束的空间电荷抵消用于聚焦离子束和获得稳定闭合轨道的四极双对效应有关。
为了模拟衰变，我们采用与成功应用于描述小静电离子束阱ConeTrap中离子数量相同的方法[23]。我们假设总损失率Gamma;可以表示为两个贡献的总和：Gamma;RG，它是由于与残余气体（RG）碰撞造成的恒定损失率和Gamma;i，这是由于离子的空间电荷（i）束本身。假设后者与存储的离子数成比例，N（t），总损失率为：
Gamma;（t）=Gamma;RG Gamma;i,0（2）
其中N0是存储离子的初始数量，Gamma;i,0=Gamma;i（t=0）是离子束本身引起的初始附加损耗率。然后，作为时间函数的存储离子数的微分方程，
Gamma;RGN(t)-Gamma;i,0（3
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外文文献原文：
First storage of ion beams in the Double Electrostatic Ion-Ring
Experiment - DESIREE
H. T. Schmidt,1 R. D. Thomas,1 M. Gatchell,1 S. Rosen,1 P. Reinhed,1 P. Lbull;ofgren,1 L. Brbull;annholm,1 M. Blom,1 M. Bjbull;orkhage,1 E. Bbull;ackstrbull;om,1 J. D. Alexander,1 S. Leontein,1 D. Hanstorp,2 H. Zettergren,1 L. Liljeby,1 A. Kbull;allberg,1 A. Simonsson,1 F. Hellberg,1 S. Mannervik,1 M. Larsson,1 W. D. Geppert,1 K. G. Rensfelt,1
H. Danared,3, 1 A. Paal,1 M. Masuda,1 P. Hallden,1 G. Andler,1 M. H. Stockett,1
T. Chen,1 G. Kbull;allersjbull;o,1 J. Weimer,1 K. Hansen,2 H. Hartman,4, 5 and H. Cederquist1
1Department of Physics, Stockholm University, SE-10691 Stockholm, Sweden
2Department of Physics, University of Gothenburg, SE-41296 Gothenburg, Sweden
3European Spallation Source ESS AB,
Box 176, SE-221 00 Lund, Sweden
4Applied Mathematics and Material Science,
Malmbull;o University, SE-20506 Malmbull;o, Sweden
5Lund Observatory, Lund University, SE-22100 Lund, Sweden
(Dated: April 3, 2018)
Abstract
We report on the rst storage of ion beams in the Double ElectroStatic Ion Ring ExpEriment; DESIREE, at Stockholm University. We have produced beams of atomic carbon anions and small carbon anion molecules ( , n = 1; 2; 3; 4) in a sputter ion source. The ion beams were accelerated to 10 keV kinetic energy and stored in an electrostatic ion storage ring enclosed in a vacuum chamber at 13 K. For 10 keV molecular anions we measure the residual-gas limited beam storage lifetime to be 448s18s with two independent detector systems. Using the measured storage lifetimes we estimate that the residual gas pressure is in the 1014 mbar range. When high current ion beams are injected, the number of stored particles does not follow a single exponential decay law as would be expected for stored particles lost solely due to electron detachment in collision with the residual-gas. Instead, we observe a faster initial decay rate, which we ascribe to the e ect of the space charge of the ion beam on the storage capacity.
- INTRODUCTION
The construction of the Double ElectroStatic Ion-Ring ExpEriment, DESIREE [1, 2] at Stockholm University is close to being fully completed. The primary objective of DESIREE is to study interactions between keV beams of positive and negative ions at very low and well controlled center-of-mass energies (down to a few meV) and at very low internal temperatures (down to a few K). To achieve this, two electrostatic ion-storage rings with circumferences C=8.6 m are constructed with a common merging section and mounted in the interior of a cryogenic aluminium vacuum chamber (see gure 1 for the ion-optical layout). This vacuum chamber is situated inside an outer steel vacuum chamber and is cooled by the colder second stages of four two-stage cryogenerators. The rst stages of the cryogenerators are thermally connected to a copper screen mounted inside the steel vacuum chamber. This screen encloses the cryogenic aluminium chamber completely with the exception of a small number of laser/viewing ports and the two ion-beam injection ports. For further insulation the copper screen is covered by 30 layers of superinsulation. With this system temperatures below 10 K may be reached. This low temperature also leads to very low outgassing rates from the vacuum chamber walls and therefore an excellent vacuum is achieved. Atomic-, molecular, and cluster-ion beams may then be stored for long times during which infrared active species will reach thermal equilibrium with the surroundings [1]. Here, we present results of the rst cryogenic operation and ion storage experiments in DESIREE using beams of 10 keV atomic and small molecular carbon anions , , , and .
DESIREE will be unique in the sense that no other facility combines the merged-beams geometry with long-time storage in a cryogenic environment. However, there are a number of electrostatic storage devices that are in operation or under construction, which have some other features in common with DESIREE. The rst electrostatic ion storage ring which was built is the ELISA ring (ELectrostatic Ion Storage ring in Aarhus) which has a circumference of 7 meters [3]. The ELISA project introduced the general layout of a closed orbit achieved with two cylindrical 160 bends and four 10 de ectors. The same or very similar designs have been used for several of its followers. One room temperature storage ring, similar to ELISA and equipped with a merged electron beam, was built in Tsukuba, Japan [4]. A liquid nitrogen cooled storage ring was constructed at the Tokyo Metropolitan University and has been in operation for a number of years [5]. A somewhat larger electrostatic storage ring with a very di erent ion-optical layout and which will be operated at room temperature [6]has been constructed at Frankfurt University. The Frankfurt ring is currently being commissioned as is a smaller 4 m circumference room temperature ring at Aarhus University [7]At the Max-Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg, a very ambitious project is close to its realisation: A 35 m circumference single cryogenic electrostatic ion-storage ring (CSR) is under construction and will be equipped with an internal gas-jet target, an ion-neutral merging section, and an electron cooler/target device [8]. A single cryogenic ring with a circumference of about 3 meters is under construction at RIKEN in Japan [9]. Furthermore, a new electrostatic ring is being built at King Abdulaziz City for Science and Technology in Riyadh [10].
In parallel with the development of the larger electrostatic storage rings there has been a development of much smaller and compact devices in the
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