【摘要】：與隨機(jī)冷卻和電子冷卻相比較,激光冷卻具有非常高的冷卻效率,可以使離子束達(dá)到空前高的相空間密度,是最有可能實(shí)現(xiàn)結(jié)晶束和有序束的冷卻技術(shù)。激光冷卻的成功將為核物理和原子分子物理實(shí)驗(yàn)提供更好的研究平臺(tái)。目前,CSRe上的激光冷卻系統(tǒng)正在前期的準(zhǔn)備階段和相關(guān)硬件的測(cè)試階段,為了驗(yàn)證在CSRe上開(kāi)展激光冷卻實(shí)驗(yàn)的可行性,利用C3+和O4+等類鋰粒子的測(cè)試性實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)展,主要測(cè)試CSRe的束流品質(zhì)和相關(guān)硬件設(shè)備能否滿足激光冷卻的實(shí)驗(yàn)要求。近期,使用脈沖激光器開(kāi)展了一次測(cè)試性實(shí)驗(yàn),目的是為了熟悉在CSRe加速器裝置中搭建激光系統(tǒng)的技術(shù)和步驟,掌握調(diào)節(jié)束流和激光光束重合的實(shí)驗(yàn)技巧,但遺憾的是在這次測(cè)試性實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有觀測(cè)到脈沖激光與重離子束的相互作用。因此,需要對(duì)CSRe中的激光冷卻的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)地模擬研究,掌握激光冷卻的物理機(jī)制,給出主要參數(shù)對(duì)冷卻過(guò)程的影響,為將來(lái)的激光冷卻實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)和參考。為了研究CSRe中激光冷卻的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和相關(guān)參數(shù)的關(guān)系,為將來(lái)的激光冷卻實(shí)驗(yàn)提供優(yōu)化的參數(shù)值,在本論文中選取能量為122MeV/u的12C3+為典型粒子,依據(jù)縱向運(yùn)動(dòng)方程編寫程序?qū)SRe激光冷卻過(guò)程中的離子束進(jìn)行跟蹤,分別給出了激光冷卻三種模式的物理圖像和主要參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。隨后,為了校驗(yàn)依據(jù)縱向運(yùn)動(dòng)方程所得到的模擬結(jié)果,并且研究CSRe中的縱向激光冷卻是否對(duì)離子束的橫向相空間產(chǎn)生影響,依據(jù)六維傳輸矩陣編寫程序?qū)SRe激光冷卻過(guò)程中的離子束進(jìn)行跟蹤。模擬結(jié)果表明,選取與離子束方向相反的連續(xù)激光結(jié)合RF-buncher的作用可以實(shí)現(xiàn)重離子束的激光冷卻,并且,通過(guò)掃描RF-buncher的頻率或者掃描連續(xù)激光的頻率都可以實(shí)現(xiàn)大范圍動(dòng)量分散離子束的冷卻,通過(guò)模擬給出了在CSRe上成功開(kāi)展激光冷卻實(shí)驗(yàn)的必要條件。同時(shí),在模擬中,計(jì)算了激光冷卻過(guò)程中束內(nèi)散射的增長(zhǎng)率及其對(duì)冷卻過(guò)程的影響,將束內(nèi)散射引起的加熱作用逐步疊加到激光冷卻作用上,找到了CSRe激光冷卻過(guò)程中冷卻與加熱的平衡狀態(tài),也就是激光冷卻的最終結(jié)果。隨后,為了方便與激光冷卻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),開(kāi)展了激光冷卻過(guò)程中肖特基頻譜的模擬和分析,模擬了12C3+在激光冷卻過(guò)程中的二維肖特基譜,利用肖特基譜得到了束流的動(dòng)力學(xué)參數(shù),如:同步振蕩頻率和動(dòng)量分散,在二維肖特基譜的模擬結(jié)果中所得到的同步振蕩頻率值和動(dòng)量分散值都能與已有的12C3+離子束的測(cè)試性實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。并且,通過(guò)肖特基譜的模擬結(jié)果可以解釋部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并預(yù)測(cè)將來(lái)激光冷卻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此,結(jié)合激光冷卻過(guò)程中二維肖特基譜的模擬結(jié)果和CSRe上已有的靈敏度非常高的肖特基譜儀的測(cè)量結(jié)果可以為將來(lái)的激光冷卻實(shí)驗(yàn)和極冷束流的動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究提供有利的工具。在本文最后簡(jiǎn)單地介紹了CSRe激光冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀和相關(guān)測(cè)試性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,這些結(jié)果表明,CSRe已具有開(kāi)展激光冷卻研究的條件,束流品質(zhì)和相關(guān)硬件設(shè)備也能夠滿足實(shí)驗(yàn)研究的需求。
【圖文】：

圖 1．2 ASTRID 上開(kāi)展激光冷卻實(shí)驗(yàn)的平面圖AS－LMU－GermanyS（PAuL Laser cooling Acceleration System）如圖 1．3 所粒子儲(chǔ)存環(huán)，具有對(duì)稱性高、離子束的能量低、便于操作amm、T.Sch tz 等人在 PALLAS 上對(duì)能量為 1eV 的 Mg+離，，得到了連續(xù)束和壓縮束的結(jié)晶束[55]。PALLAS 上的實(shí)驗(yàn)卻時(shí)需要減少束流內(nèi)部的加熱效應(yīng)，給束流動(dòng)力學(xué)的研究04 年，U. Schramm 等人的研究表明，如果使用較低能量冷卻的螺旋路徑上彎曲的激光光束，橫向冷卻可能直接實(shí)論能區(qū)的高電荷態(tài)束流是非常有意義的。

粒子結(jié)構(gòu)示意圖（4）ESR－GSI－GermanyESR（Experimental Storage Ring）的結(jié)構(gòu)和激光冷卻裝置示意圖如圖1．4所示，2004年首次實(shí)現(xiàn)了利用激光冷卻相對(duì)論能區(qū)的高電荷態(tài)重離子束[56][57]。使用經(jīng)過(guò)倍頻后的氬粒子激光器（257nm），結(jié)合RF-buncher 對(duì)能量為122MeV/u 的12C3+離子束進(jìn)行大范圍的掃描冷卻。結(jié)合儲(chǔ)存環(huán)上的肖特基診斷系統(tǒng)，研究了束流動(dòng)力學(xué)尤其是勢(shì)阱中激光與粒子之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)以及空間電荷效應(yīng)對(duì)束流的影響[49]，如圖1．5所示[57]，給出了ESR上在沒(méi)有電子冷卻預(yù)冷卻時(shí)壓縮束的激光冷卻的結(jié)果。ESR上的激光冷卻模擬和實(shí)驗(yàn)研究為以后大型儲(chǔ)存環(huán)FAIR上開(kāi)展激光冷卻高電荷態(tài)離子束的研究奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TL594

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本文編號(hào)：2580579