An electron-ion collider (EIC) at Brookhaven National Laboratory is being proposed as a new discovery machine for the nuclear physics and quantum chromodynamics. The hadron beam cooling plays an important role in the EIC machine to achieve its physics goals. The most challenging is cooling of protons at the highest energy in the EIC. In this paper, we present a possible design of a ring-based electron cooler for the high energy hadron beam cooling. In the proposed approach, the electrons will cool the hadrons while being cooled themselves by radiation damping in the storage ring. For the design of the cooler using the storage ring approach several aspects become very important, including electron ring optics design, chromaticity correction, calculating the dynamic aperture, radiation damping, quantum excitation, and intrabeam scattering. In addition, such effects as beam-beam scattering due to interaction of electrons with hadrons becomes of special concern, and we develop a generalized approach to it. In this paper, we take all of the above effects into the design, and discuss the beam lifetime and instabilities in the ring. A special feature of our design is an effective use of dispersion in the cooling section, both for the ions and electrons, to redistribute the cooling rate between the longitudinal and horizontal planes. Finally, the cooling performance is simulated for proton beam at the top energy of the EIC. Our conclusion is that such ring-based cooler could be a feasible approach to provide required parameters of hadron beam at the top energy of 275 GeV for the EIC.

中文翻译：

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环形电子冷却器，用于高能束冷却

Brookhaven国家实验室的电子对撞机（EIC）被提议作为一种新的发现机，用于核物理和量子色动力学。强子束冷却在EIC机器中发挥重要作用，以实现其物理目标。最具挑战性的是在EIC中以最高能量冷却质子。在本文中，我们提出了一种用于高能强子束冷却的环形电子冷却器的可能设计。在所提出的方法中，电子将冷却强子，同时通过存储环中的辐射阻尼将自身冷却。对于使用存储环方法的冷却器设计，几个方面变得非常重要，包括电子环光学设计，色度校正，动态孔径计算，辐射阻尼，量子激发和束内散射。此外，由于电子与强子的相互作用而产生的束流散射等效应也引起了人们的特别关注，我们为此开发了一种通用方法。在本文中，我们将上述所有影响都纳入设计，并讨论了光束寿命和环中的不稳定性。我们设计的一个特殊功能是有效利用冷却区中的离子和电子分散，以在纵向和水平平面之间重新分配冷却速率。最后，在EIC的最高能量下模拟了质子束的冷却性能。我们的结论是，这种基于环的冷却器可能是在EIC的275 GeV的最高能量下提供强子束所需参数的可行方法。由于电子与强子的相互作用而产生的束流散射等影响变得特别令人关注，我们为此开发了一种通用方法。在本文中，我们将上述所有影响都纳入设计，并讨论了光束寿命和环中的不稳定性。我们设计的一个特殊功能是有效利用冷却区域中的离子和电子分散，以在纵向和水平平面之间重新分配冷却速率。最后，在EIC的最高能量下模拟了质子束的冷却性能。我们的结论是，这种基于环的冷却器可能是在EIC的275 GeV的最高能量下提供强子束所需参数的可行方法。由于电子与强子的相互作用而产生的束流散射等影响变得特别令人关注，我们为此开发了一种通用方法。在本文中，我们将上述所有影响都纳入设计，并讨论了光束寿命和环中的不稳定性。我们设计的一个特殊功能是有效利用冷却区域中的离子和电子分散，以在纵向和水平平面之间重新分配冷却速率。最后，在EIC的最高能量下模拟了质子束的冷却性能。我们的结论是，这种基于环的冷却器可能是在EIC的275 GeV的最高能量下提供强子束所需参数的可行方法。并讨论光束的寿命和环中的不稳定性。我们设计的一个特殊功能是有效利用冷却区域中的离子和电子分散，以在纵向和水平平面之间重新分配冷却速率。最后，在EIC的最高能量下模拟了质子束的冷却性能。我们的结论是，这种基于环的冷却器可能是在EIC的275 GeV的最高能量下提供强子束所需参数的可行方法。并讨论光束的寿命和环中的不稳定性。我们设计的一个特殊功能是有效利用冷却区域中的离子和电子分散，以在纵向和水平平面之间重新分配冷却速率。最后，在EIC的最高能量下模拟了质子束的冷却性能。我们的结论是，这种基于环的冷却器可能是在EIC的275 GeV的最高能量下提供强子束所需参数的可行方法。在EIC的最高能量下对质子束的冷却性能进行了仿真。我们的结论是，这种基于环的冷却器可能是在EIC的275 GeV的最高能量下提供强子束所需参数的可行方法。在EIC的最高能量下对质子束的冷却性能进行了仿真。我们的结论是，这种基于环的冷却器可能是在EIC的275 GeV的最高能量下提供强子束所需参数的可行方法。