重离子冷却储存环中激光冷却的动力学研究

发布时间：2020-02-18 02:09

【摘要】：与随机冷却和电子冷却相比较,激光冷却具有非常高的冷却效率,可以使离子束达到空前高的相空间密度,是最有可能实现结晶束和有序束的冷却技术。激光冷却的成功将为核物理和原子分子物理实验提供更好的研究平台。目前,CSRe上的激光冷却系统正在前期的准备阶段和相关硬件的测试阶段,为了验证在CSRe上开展激光冷却实验的可行性,利用C3+和O4+等类锂粒子的测试性实验已经开展,主要测试CSRe的束流品质和相关硬件设备能否满足激光冷却的实验要求。近期,使用脉冲激光器开展了一次测试性实验,目的是为了熟悉在CSRe加速器装置中搭建激光系统的技术和步骤,掌握调节束流和激光光束重合的实验技巧,但遗憾的是在这次测试性实验中没有观测到脉冲激光与重离子束的相互作用。因此,需要对CSRe中的激光冷却的动力学过程进行系统地模拟研究,掌握激光冷却的物理机制,给出主要参数对冷却过程的影响,为将来的激光冷却实验研究提供指导和参考。为了研究CSRe中激光冷却的动力学过程和相关参数的关系,为将来的激光冷却实验提供优化的参数值,在本论文中选取能量为122MeV/u的12C3+为典型粒子,依据纵向运动方程编写程序对CSRe激光冷却过程中的离子束进行跟踪,分别给出了激光冷却三种模式的物理图像和主要参数的优化结果。随后,为了校验依据纵向运动方程所得到的模拟结果,并且研究CSRe中的纵向激光冷却是否对离子束的横向相空间产生影响,依据六维传输矩阵编写程序对CSRe激光冷却过程中的离子束进行跟踪。模拟结果表明,选取与离子束方向相反的连续激光结合RF-buncher的作用可以实现重离子束的激光冷却,并且,通过扫描RF-buncher的频率或者扫描连续激光的频率都可以实现大范围动量分散离子束的冷却,通过模拟给出了在CSRe上成功开展激光冷却实验的必要条件。同时,在模拟中,计算了激光冷却过程中束内散射的增长率及其对冷却过程的影响,将束内散射引起的加热作用逐步叠加到激光冷却作用上,找到了CSRe激光冷却过程中冷却与加热的平衡状态,也就是激光冷却的最终结果。随后,为了方便与激光冷却的实验结果进行比对,开展了激光冷却过程中肖特基频谱的模拟和分析,模拟了12C3+在激光冷却过程中的二维肖特基谱,利用肖特基谱得到了束流的动力学参数,如:同步振荡频率和动量分散,在二维肖特基谱的模拟结果中所得到的同步振荡频率值和动量分散值都能与已有的12C3+离子束的测试性实验结果相一致。并且,通过肖特基谱的模拟结果可以解释部分实验现象并预测将来激光冷却的实验结果。因此,结合激光冷却过程中二维肖特基谱的模拟结果和CSRe上已有的灵敏度非常高的肖特基谱仪的测量结果可以为将来的激光冷却实验和极冷束流的动力学过程研究提供有利的工具。在本文最后简单地介绍了CSRe激光冷却系统的现状和相关测试性实验的结果,这些结果表明,CSRe已具有开展激光冷却研究的条件,束流品质和相关硬件设备也能够满足实验研究的需求。
【图文】：

图 1．2 ASTRID 上开展激光冷却实验的平面图AS－LMU－GermanyS（PAuL Laser cooling Acceleration System）如图 1．3 所粒子储存环，具有对称性高、离子束的能量低、便于操作amm、T.Sch tz 等人在 PALLAS 上对能量为 1eV 的 Mg+离，，得到了连续束和压缩束的结晶束[55]。PALLAS 上的实验却时需要减少束流内部的加热效应，给束流动力学的研究04 年，U. Schramm 等人的研究表明，如果使用较低能量冷却的螺旋路径上弯曲的激光光束，横向冷却可能直接实论能区的高电荷态束流是非常有意义的。

粒子结构示意图（4）ESR－GSI－GermanyESR（Experimental Storage Ring）的结构和激光冷却装置示意图如图1．4所示，2004年首次实现了利用激光冷却相对论能区的高电荷态重离子束[56][57]。使用经过倍频后的氩粒子激光器（257nm），结合RF-buncher 对能量为122MeV/u 的12C3+离子束进行大范围的扫描冷却。结合储存环上的肖特基诊断系统，研究了束流动力学尤其是势阱中激光与粒子之间的强耦合效应以及空间电荷效应对束流的影响[49]，如图1．5所示[57]，给出了ESR上在没有电子冷却预冷却时压缩束的激光冷却的结果。ESR上的激光冷却模拟和实验研究为以后大型储存环FAIR上开展激光冷却高电荷态离子束的研究奠定了基础。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL594

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本文编号：2580579