Die Elektronenkühlung dient dazu, die Qualität des gespeicherten Ionenstrahls zu verbessern. Zu diesem Zweck wird dem umlaufenden Ionenstrahl in einer geraden Strecke des Speicherrings ESR ein intensiver, kalter Elektronenstrahl gleicher Geschwindigkeit überlagert. Durch Coulomb-Wechselwirkung wird Impuls von dem heißen Ionenstrahl auf den kalten Elektronenstrahl übertragen. Der Elektronenstrahl wird am Ende der Wechselwirkungsstrecke vom Ionenstrahl getrennt und dadurch die übertragene Energie aus dem Ionenstrahl entfernt. Der Elektronenstrahl stellt ein unendliches Kältereservoir dar.
Elektronenkühler
Durch den Kühlprozess werden die Impulsunschärfe und der Durchmesser des Ionenstrahls gegenüber den Anfangswerten nach dem Einschuss erheblich reduziert. Dies resultiert in Ionenstrahlen mit Impulsunschärfen von 10-4 und darunter und Durchmessern im Bereich von Millimeter, entsprechend Strahlemittanzen von weniger als 1 µm. Die Methode der Elektronenkühlung kommt bei nahezu allen Experimenten am ESR zum Einsatz. Sie erlaubt auch die Aufheizung des Ionenstrahls durch unvermeidliche Stöße mit dem Restgas oder durch den Einfluss eines internen Gastargets zu kompensieren und dadurch die Strahlqualität auf höchstem Niveau zu stabilisieren.
In der Elektronenkanone des Elektronenkühlers wird ein Elektronenstrahl von typisch 0.1 bis 1 A aus einer thermischen Kathode von 5 cm Durchmesser in einem longitudinalen Magnetfeld extrahiert und elektrostatisch auf die erforderliche Energie beschleunigt. Durch geeignete Wahl der Extraktions- und Beschleunigungsparameter wird durch die Führung in einem longitudinalen Magnetfeld die Temperatur des Elektronenstrahls klein gehalten. Somit hat er günstige Eigenschaften, um den Ionenstrahl effektiv zu kühlen. Zusätzlich spielt das magnetische Führungsfeld auch eine Rolle bei der Wechselwirkung von Ionen und Elektronen und unterstützt den Kühlprozess. Durch das elektrostatische Beschleunigungsprinzip kann die Energie des Elektronenstrahls sehr flexibel an die Erfordernisse von Experimenten angepasst werden. Die hohe Energie und Intensität des Elektronenstrahls erfordern ein effektives Aufsammeln der Elektronen am Ende der Elektronenstrahlanlage. In einer speziellen Anordnung von Elektroden werden die Elektronen zunächst abgebremst und dann mit Hilfe einer Konfiguration des magnetischen Führungsfeldes mit abnehmender Feldstärke auf einer wassergekühlten Oberfläche mit erheblich reduzierter Energie deponiert.