【摘要】：通過冷卻技術獲得高品質(zhì)的離子束是儲存環(huán)上開展精密物理實驗的基礎。與電子冷卻和隨機冷卻技術相比,激光冷卻具有冷卻速度快、冷卻效率高、冷卻作用力強的優(yōu)勢,是最有希望在重離子儲存環(huán)中達到超高相空間密度、實現(xiàn)離子束相變獲得有序束甚至晶化束的方法。此外,在激光冷卻的過程中還可以開展精密激光譜學的實驗研究。本論文基于中科院近代物理研究所重離子儲存環(huán)HIRFLCSRe開展了激光冷卻相對論能量重離子實驗和模擬研究,主要結(jié)果包括:為了開展能量為122 Me V/u的12C3+離子束的激光冷卻,在CSRe上利用一束波長為257 nm的脈沖激光結(jié)合射頻聚束器RF-buncher開展了實驗。通過改變加載在RF-buncher上電壓信號的波形、幅度、頻率系統(tǒng)地開展了12C3+和12C6+離子束的縱向動力學研究,并對RF-buncher在儲存環(huán)中電子冷卻和雙電子復合實驗中的應用進行了總結(jié)。測量了12C3+和16O4+離子的存儲壽命和各自在混合束中所占的比例。分析了儲存環(huán)中影響離子束壽命的主要因素,并對上述兩種離子的存儲壽命進行了理論計算,計算結(jié)果與測量結(jié)果符合的較好。證明了CSRe當前的實驗條件和新安裝的CPM熒光探測器滿足激光冷卻實驗的需求。此外,參與了ESR上12C3+離子的激光冷卻實驗并觀測到脈沖激光與離子束的相互作用現(xiàn)象,為成功實現(xiàn)脈沖激光冷卻奠定了基礎。通過對離子所受激光作用力以及RF-buncher射頻作用力的分析,使用單粒子追蹤的方法,對激光冷卻過程、離子束的縱向動力學以及肖特基頻譜信號進行了模擬計算,模擬結(jié)果很好地解釋了實驗現(xiàn)象。計算了連續(xù)激光與脈沖激光各自的冷卻作用力以及對離子束的動量接收度,為開展連續(xù)激光結(jié)合脈沖激光的激光冷卻實驗提供了參考依據(jù)。為了提高離子束的等離子體參數(shù)從而實現(xiàn)離子束相變得到晶化束,計劃于2017年底使用一束波長為220 nm的連續(xù)激光結(jié)合RF-buncher開展16O5+離子的激光冷卻實驗。屆時16O5+將是重離子儲存環(huán)上成功被激光冷卻的最高電荷態(tài)離子。目前,已經(jīng)完成了16O5+離子激光冷卻實驗的設計和初步準備�；就瓿闪藢ξ磥泶罂茖W裝置HIAF(High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility)上相對論能量高電荷態(tài)離子的激光冷卻實驗、類鋰和類鈉離子的精密激光譜學實驗以及強場QED效應精確檢測等實驗的設計。
【圖文】：

與離子束同向的激光波長為93 nm，如圖2.8所示。目前實驗室中很難獲得波長很短（~93 nm）并滿足實驗需求的同向激光，，因此人們提出使用一束激光結(jié)合一個輔助作用力的方法來實現(xiàn)激光冷卻。在J.S. Hangst小組利用射頻聚束器RF-buncher結(jié)合一束反向傳播的激光冷卻了24Mg+離子[30]后，RF-buncher被廣泛應用在儲存環(huán)上的激光冷卻實驗中。圖2.8使用兩束反向傳播的激光冷卻能量為122 MeV/u的12C3+離子的實驗示意圖。其中與離子束同向的激光要求其波長為93nm，而現(xiàn)階段在實驗室中很難得到此波長并且滿足激光冷卻實驗要求的激光。使用RF-buncher與一束反向傳播的激光實現(xiàn)激光冷卻的原理如圖2.9所示。RF-buncher上加載頻率為bunchf的正弦電壓（bunch revf h f，其中h是整數(shù)，revf為離子在環(huán)中回旋運動頻率），離子束會在縱向上受到一個正弦作用勢。這個作用勢可以被看做是在儲存環(huán)中形成h個如圖中所示的類似bucket的贗勢場，其中

在bucket內(nèi)的同步振蕩頻率隨時間的變化曲線。隨在bucket內(nèi)的同步振蕩頻率逐漸增加�？梢越忉屵@種現(xiàn)象，具體的模擬方法見4.2節(jié)。模擬在bucket內(nèi)同步振蕩頻率與其最大振蕩幅度對應的展寬越小，離子的同步振蕩頻率越大。圖3.22中，衡態(tài)，此時離子束的束內(nèi)散射效應的加熱速率和電子離子個數(shù)隨時間逐漸減小，且束內(nèi)散射效應的加熱速此其加熱速率也隨著時間逐漸減小。電子冷卻的冷卻不變，因此離子束的縱向動量展寬會隨著時間而逐漸看，隨著離子束動量分散減小，離子在bucket內(nèi)的同頻率逐漸緩慢增加，符合圖3.24中的測量結(jié)果。
【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】：O571.6

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本文編號：2580775