發(fā)布時(shí)間：2020-02-18 17:59

【摘要】：通過(guò)冷卻技術(shù)獲得高品質(zhì)的離子束是儲(chǔ)存環(huán)上開展精密物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。與電子冷卻和隨機(jī)冷卻技術(shù)相比,激光冷卻具有冷卻速度快、冷卻效率高、冷卻作用力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),是最有希望在重離子儲(chǔ)存環(huán)中達(dá)到超高相空間密度、實(shí)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(guò)程中還可以開展精密激光譜學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究。本論文基于中科院近代物理研究所重離子儲(chǔ)存環(huán)HIRFLCSRe開展了激光冷卻相對(duì)論能量重離子實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為257 nm的脈沖激光結(jié)合射頻聚束器RF-buncher開展了實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變加載在RF-buncher上電壓信號(hào)的波形、幅度、頻率系統(tǒng)地開展了12C3+和12C6+離子束的縱向動(dòng)力學(xué)研究,并對(duì)RF-buncher在儲(chǔ)存環(huán)中電子冷卻和雙電子復(fù)合實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。測(cè)量了12C3+和16O4+離子的存儲(chǔ)壽命和各自在混合束中所占的比例。分析了儲(chǔ)存環(huán)中影響離子束壽命的主要因素,并對(duì)上述兩種離子的存儲(chǔ)壽命進(jìn)行了理論計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果符合的較好。證明了CSRe當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件和新安裝的CPM熒光探測(cè)器滿足激光冷卻實(shí)驗(yàn)的需求。此外,參與了ESR上12C3+離子的激光冷卻實(shí)驗(yàn)并觀測(cè)到脈沖激光與離子束的相互作用現(xiàn)象,為成功實(shí)現(xiàn)脈沖激光冷卻奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)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(duì)激光冷卻過(guò)程、離子束的縱向動(dòng)力學(xué)以及肖特基頻譜信號(hào)進(jìn)行了模擬計(jì)算,模擬結(jié)果很好地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。計(jì)算了連續(xù)激光與脈沖激光各自的冷卻作用力以及對(duì)離子束的動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)離子束相變得到晶化束,計(jì)劃于2017年底使用一束波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)。屆時(shí)16O5+將是重離子儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和初步準(zhǔn)備�；就瓿闪藢�(duì)未來(lái)大科學(xué)裝置HIAF(High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility)上相對(duì)論能量高電荷態(tài)離子的激光冷卻實(shí)驗(yàn)、類鋰和類鈉離子的精密激光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)以及強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)精確檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。
【圖文】：

與離子束同向的激光波長(zhǎng)為93 nm，如圖2.8所示。目前實(shí)驗(yàn)室中很難獲得波長(zhǎng)很短（~93 nm）并滿足實(shí)驗(yàn)需求的同向激光，，因此人們提出使用一束激光結(jié)合一個(gè)輔助作用力的方法來(lái)實(shí)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(yīng)用在儲(chǔ)存環(huán)上的激光冷卻實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)示意圖。其中與離子束同向的激光要求其波長(zhǎng)為93nm，而現(xiàn)階段在實(shí)驗(yàn)室中很難得到此波長(zhǎng)并且滿足激光冷卻實(shí)驗(yàn)要求的激光。使用RF-buncher與一束反向傳播的激光實(shí)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(yùn)動(dòng)頻率），離子束會(huì)在縱向上受到一個(gè)正弦作用勢(shì)。這個(gè)作用勢(shì)可以被看做是在儲(chǔ)存環(huán)中形成h個(gè)如圖中所示的類似bucket的贗勢(shì)場(chǎng)，其中

在bucket內(nèi)的同步振蕩頻率隨時(shí)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(duì)應(yīng)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(shí)離子束的束內(nèi)散射效應(yīng)的加熱速率和電子離子個(gè)數(shù)隨時(shí)間逐漸減小，且束內(nèi)散射效應(yīng)的加熱速此其加熱速率也隨著時(shí)間逐漸減小。電子冷卻的冷卻不變，因此離子束的縱向動(dòng)量展寬會(huì)隨著時(shí)間而逐漸看，隨著離子束動(dòng)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(cè)量結(jié)果。
【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)】：O571.6

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本文編號(hào)：2580775