CSRe上相对论能量重离子束激光冷却相关的动力学实验与模拟研究

发布时间：2020-02-18 17:59

【摘要】：通过冷却技术获得高品质的离子束是储存环上开展精密物理实验的基础。与电子冷却和随机冷却技术相比,激光冷却具有冷却速度快、冷却效率高、冷却作用力强的优势,是最有希望在重离子储存环中达到超高相空间密度、实现离子束相变获得有序束甚至晶化束的方法。此外,在激光冷却的过程中还可以开展精密激光谱学的实验研究。本论文基于中科院近代物理研究所重离子储存环HIRFLCSRe开展了激光冷却相对论能量重离子实验和模拟研究,主要结果包括:为了开展能量为122 Me V/u的12C3+离子束的激光冷却,在CSRe上利用一束波长为257 nm的脉冲激光结合射频聚束器RF-buncher开展了实验。通过改变加载在RF-buncher上电压信号的波形、幅度、频率系统地开展了12C3+和12C6+离子束的纵向动力学研究,并对RF-buncher在储存环中电子冷却和双电子复合实验中的应用进行了总结。测量了12C3+和16O4+离子的存储寿命和各自在混合束中所占的比例。分析了储存环中影响离子束寿命的主要因素,并对上述两种离子的存储寿命进行了理论计算,计算结果与测量结果符合的较好。证明了CSRe当前的实验条件和新安装的CPM荧光探测器满足激光冷却实验的需求。此外,参与了ESR上12C3+离子的激光冷却实验并观测到脉冲激光与离子束的相互作用现象,为成功实现脉冲激光冷却奠定了基础。通过对离子所受激光作用力以及RF-buncher射频作用力的分析,使用单粒子追踪的方法,对激光冷却过程、离子束的纵向动力学以及肖特基频谱信号进行了模拟计算,模拟结果很好地解释了实验现象。计算了连续激光与脉冲激光各自的冷却作用力以及对离子束的动量接收度,为开展连续激光结合脉冲激光的激光冷却实验提供了参考依据。为了提高离子束的等离子体参数从而实现离子束相变得到晶化束,计划于2017年底使用一束波长为220 nm的连续激光结合RF-buncher开展16O5+离子的激光冷却实验。届时16O5+将是重离子储存环上成功被激光冷却的最高电荷态离子。目前,已经完成了16O5+离子激光冷却实验的设计和初步准备。基本完成了对未来大科学装置HIAF(High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility)上相对论能量高电荷态离子的激光冷却实验、类锂和类钠离子的精密激光谱学实验以及强场QED效应精确检测等实验的设计。
【图文】：

与离子束同向的激光波长为93 nm，如图2.8所示。目前实验室中很难获得波长很短（~93 nm）并满足实验需求的同向激光，，因此人们提出使用一束激光结合一个辅助作用力的方法来实现激光冷却。在J.S. Hangst小组利用射频聚束器RF-buncher结合一束反向传播的激光冷却了24Mg+离子[30]后，RF-buncher被广泛应用在储存环上的激光冷却实验中。图2.8使用两束反向传播的激光冷却能量为122 MeV/u的12C3+离子的实验示意图。其中与离子束同向的激光要求其波长为93nm，而现阶段在实验室中很难得到此波长并且满足激光冷却实验要求的激光。使用RF-buncher与一束反向传播的激光实现激光冷却的原理如图2.9所示。RF-buncher上加载频率为bunchf的正弦电压（bunch revf h f，其中h是整数，revf为离子在环中回旋运动频率），离子束会在纵向上受到一个正弦作用势。这个作用势可以被看做是在储存环中形成h个如图中所示的类似bucket的赝势场，其中

在bucket内的同步振荡频率随时间的变化曲线。随在bucket内的同步振荡频率逐渐增加。可以解释这种现象，具体的模拟方法见4.2节。模拟在bucket内同步振荡频率与其最大振荡幅度对应的展宽越小，离子的同步振荡频率越大。图3.22中，衡态，此时离子束的束内散射效应的加热速率和电子离子个数随时间逐渐减小，且束内散射效应的加热速此其加热速率也随着时间逐渐减小。电子冷却的冷却不变，因此离子束的纵向动量展宽会随着时间而逐渐看，随着离子束动量分散减小，离子在bucket内的同频率逐渐缓慢增加，符合图3.24中的测量结果。
【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】：O571.6

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 颜严;激光冷却半导体[J];激光与光电子学进展;2000年05期

2 俞晓梅,陈建文;用激光冷却得到费米简并[J];激光与光电子学进展;2000年06期

3 吉望西，王义遒;激光冷却与囚禁原子技术及应用[J];物理;1996年01期

4 ;激光冷却与囚禁原子研究获重大突破[J];光电子技术与信息;1999年03期

5 王育竹;徐震;;激光冷却及其在科学技术中的应用[J];物理学进展;2005年04期

6 ;激光冷却稠密气体[J];激光与光电子学进展;2009年10期

7 岳桢干;;美国研究人员在固体材料激光冷却方面取得突破[J];红外;2011年05期

8 从征;;激光冷却离子团的光子成象[J];激光与光电子学进展;1988年10期

9 潘少华;激光冷却的新机制[J];物理;1992年02期

10 王占山;马珊珊;马艳;赵敏;刘恒彪;;刀口技术在激光冷却中的应用[J];光学精密工程;2006年01期

相关会议论文 前7条

1 王振霞;印建平;;激光冷却分子跃迁参数的理论计算[A];第十五届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2012年

2 王义遒;李义民;甘建华;陈徐宗;杨东海;刘海峰;;激光冷却与捕陷原子的研究在北京大学的进展[A];第七届全国量子光学学术报告会论文摘要集[C];1996年

3 汶伟强;马新文;张大成;钱东斌;徐瑚珊;;CSRe上激光冷却高电荷态离子束的实验研究[A];第十五届全国原子与分子物理学术会议论文摘要集[C];2009年

4 王谨;詹明生;;Rb原子的激光冷却与囚禁[A];Laser Cooling: Bose-Einstein Condensation and Atom Laser--Proceedings of CCAST (World Laboratory) Workshop[C];1999年

5 夏勇;戴大鹏;方银飞;李兴佳;尹燕宁;张慧;印建平;;分子激光冷却的理论与实验研究进展[A];第十六届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2014年

6 王少凯;王强;林百科;王民明;方占军;;461nm激光冷却锶原子实验研究[A];2009全国时间频率学术会议论文集[C];2009年

7 张宝武;马艳;李同保;;预准直狭缝对铬原子束一维横向多普勒激光冷却准直效果的影响[A];2009年先进光学技术及其应用研讨会论文集（上册）[C];2009年

相关重要报纸文章 前1条

1 记者 马丽元　胡勤;诺贝尔奖得主坦诺奇到中航工业总部演讲[N];中国航空报;2011年

相关博士学位论文 前6条

1 汪寒冰;CSRe上相对论能量重离子束激光冷却相关的动力学实验与模拟研究[D];中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所);2017年

2 张敬芳;空间部分相干激光冷却原子研究[D];浙江大学;2013年

3 王谨;Rb原子的激光冷却与囚禁[D];中国科学院研究生院（安徽光学精密机械研究所）;1999年

4 舒华林;Paul阱中单个～（40）Ca～+囚禁和激光冷却的实验研究[D];中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）;2006年

5 钟标;掺Yb~(3+)氟化物晶体激光冷却理论与实验研究[D];华东师范大学;2014年

6 贾佑华;掺杂Yb~（3+）：ZBLAN玻璃材料的激光冷却[D];华东师范大学;2008年

相关硕士学位论文 前5条

1 王奎龙;激光冷却和俘获原子过程控制的研究[D];浙江大学;2008年

2 王强;锶原子的激光冷却和囚禁[D];中国计量科学研究院;2010年

3 刘长强;费米~6Li原子的激光冷却与俘获[D];华东师范大学;2015年

4 赵东;三种激光冷却机制的理论分析[D];华中科技大学;2007年

5 戴大鹏;氟化镁分子在双色激光场中的受激减速[D];华东师范大学;2015年

本文编号：2580775