【摘要】：與隨機冷卻和電子冷卻相比較,激光冷卻具有非常高的冷卻效率,可以使離子束達到空前高的相空間密度,是最有可能實現(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驗提供更好的研究平臺。目前,CSRe上的激光冷卻系統(tǒng)正在前期的準備階段和相關(guān)硬件的測試階段,為了驗證在CSRe上開展激光冷卻實驗的可行性,利用C3+和O4+等類鋰粒子的測試性實驗已經(jīng)開展,主要測試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驗要求。近期,使用脈沖激光器開展了一次測試性實驗,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驗技巧,但遺憾的是在這次測試性實驗中沒有觀測到脈沖激光與重離子束的相互作用。因此,需要對CSRe中的激光冷卻的動力學過程進行系統(tǒng)地模擬研究,掌握激光冷卻的物理機制,給出主要參數(shù)對冷卻過程的影響,為將來的激光冷卻實驗研究提供指導(dǎo)和參考。為了研究CSRe中激光冷卻的動力學過程和相關(guān)參數(shù)的關(guān)系,為將來的激光冷卻實驗提供優(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)縱向運動方程編寫程序?qū)SRe激光冷卻過程中的離子束進行跟蹤,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,為了校驗依據(jù)縱向運動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激光冷卻過程中的離子束進行跟蹤。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的作用可以實現(xiàn)重離子束的激光冷卻,并且,通過掃描RF-buncher的頻率或者掃描連續(xù)激光的頻率都可以實現(xiàn)大范圍動量分散離子束的冷卻,通過模擬給出了在CSRe上成功開展激光冷卻實驗的必要條件。同時,在模擬中,計算了激光冷卻過程中束內(nèi)散射的增長率及其對冷卻過程的影響,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驗結(jié)果進行比對,開展了激光冷卻過程中肖特基頻譜的模擬和分析,模擬了12C3+在激光冷卻過程中的二維肖特基譜,利用肖特基譜得到了束流的動力學參數(shù),如:同步振蕩頻率和動量分散,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量分散值都能與已有的12C3+離子束的測試性實驗結(jié)果相一致。并且,通過肖特基譜的模擬結(jié)果可以解釋部分實驗現(xiàn)象并預(yù)測將來激光冷卻的實驗結(jié)果。因此,結(jié)合激光冷卻過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量結(jié)果可以為將來的激光冷卻實驗和極冷束流的動力學過程研究提供有利的工具。在本文最后簡單地介紹了CSRe激光冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀和相關(guān)測試性實驗的結(jié)果,這些結(jié)果表明,CSRe已具有開展激光冷卻研究的條件,束流品質(zhì)和相關(guān)硬件設(shè)備也能夠滿足實驗研究的需求。
【圖文】：

圖 1．2 ASTRID 上開展激光冷卻實驗的平面圖AS－LMU－GermanyS（PAuL Laser cooling Acceleration System）如圖 1．3 所粒子儲存環(huán)，具有對稱性高、離子束的能量低、便于操作amm、T.Sch tz 等人在 PALLAS 上對能量為 1eV 的 Mg+離，，得到了連續(xù)束和壓縮束的結(jié)晶束[55]。PALLAS 上的實驗卻時需要減少束流內(nèi)部的加熱效應(yīng)，給束流動力學的研究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年首次實現(xiàn)了利用激光冷卻相對論能區(qū)的高電荷態(tài)重離子束[56][57]。使用經(jīng)過倍頻后的氬粒子激光器（257nm），結(jié)合RF-buncher 對能量為122MeV/u 的12C3+離子束進行大范圍的掃描冷卻。結(jié)合儲存環(huán)上的肖特基診斷系統(tǒng)，研究了束流動力學尤其是勢阱中激光與粒子之間的強耦合效應(yīng)以及空間電荷效應(yīng)對束流的影響[49]，如圖1．5所示[57]，給出了ESR上在沒有電子冷卻預(yù)冷卻時壓縮束的激光冷卻的結(jié)果。ESR上的激光冷卻模擬和實驗研究為以后大型儲存環(huán)FAIR上開展激光冷卻高電荷態(tài)離子束的研究奠定了基礎(chǔ)。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院近代物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TL594

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本文編號：2580579