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重离子束激光冷却和精密激光谱学研究平台
更新时间:2017-09-25 17:25:50  |  点击次数:613次

储存环CSRe上开展相对论能量重离子束激光冷却和精密激光谱学的实验装置图,图1中给出了脉冲激光器、激光传输、电子冷却、射频聚束器、共振Schottky谱仪、真空紫外响应的荧光探测装置光电倍增管PMT和光子通道倍增管CPM的照片或设计图。相对于已经比较成熟的随机冷却和电子冷却技术,储存环上重离子束的激光冷却具有冷却速度快,冷却作用力强的特点,可以将离子束冷却到极低温度(mK),从而研究超冷离子束动力学,相变等,并且在激光冷却的同时还可以开展高电荷态离子的精密激光谱学实验。

图1 重离子束激光冷却和精密激光谱学研究平台示意图及照片

实验动机和实验简介:利用激光开展的原子和单电离态离子精密谱学实验精度近几年获得大幅提高,代表了目前原子分子物理的最高精度,例如对于氢原子的1s-2s跃迁的能级结构测量精度达到10-14,在激光冷却的基础上离子光钟的实验精度已经超越10-17。但是对于高电荷态离子,随着离子电荷态的升高,电子的束缚能不断增大,很难利用现有激光与离子共振作用开展实验。为了利用精密激光谱学高精度的特点,可以利用重离子加速器储存环加速离子到相对论能量(百MeV/u到GeV/u),根据相对论Doppler效应,就能使用现有激光与离子束共振作用开展激光冷却和精密激光谱学实验。

激光冷却储存环中重离子束的基本原理为:一束激光与储存环中的离子共振作用,激发基态离子到高能级,处于激发态的离子自发辐射退激到基态,在这个过程中激光散射作用力传递给离子,经过不断的重复吸收发射光子实现激光对离子的加速或者减速作用,如果配合一个与激光作用力匹配的辅助作用力,就可以在激光作用的方向冷却离子束。相比电子冷却和随机冷却,激光冷却相对论能量离子束有以下优点 [1-3]:可以得到更冷的纵向动量(p/p≈10-7);激光冷却力与离子束的相对论因子2成正比,可以冷却非常高相对论能量的离子束;冷却时间可以短至百毫秒量级,能够实现对离子束的快速冷却。在相对论能量储存环上实现具有时间结构的晶束(Crystalline ion beam),是激光冷却的目标之一。发展连续激光结合脉冲激光的冷却技术,有可能在高能储存环上替代电子冷却。我们拟开展的首次激光冷却实验是对C3+离子束的冷却。同时,在CSRe上的激光冷却实验也是为了以后的大型加速器装置德国的FAIR和中国的HIAF上开展激光冷却和激光精细谱学技术打下基础。

实验装置和实验结果:在利用重离子冷却储存环CSRe开展16O5+离子束激光冷却和精密激光谱学的实验装置和实验参数如图2所示[4], 16O5+离子由ECR离子源产生,经过回旋加速器SFC加速到几MeV/u后注入到主环CSRm中,在CSRm中完成冷却、累积、加速到280 MeV/u后注入到实验环CSRe中开展实验。图3和图4分别是近期在CSRe上开展的C3+离子束测试性实验结果和ESR上激光冷却C3+离子束的实验结果[5]。

图2 CSRe上开展激光冷却C3+离子束的实验装置图和实验参数。

图3. CSRe上开展C3+离子束测试性实验的实验结果。

图4. ESR上开展的激光冷却C3+离子束的实验结果。一束连续频率扫描的激光结合RF-buncher对离子束进行冷却的过程,通过肖特基谱仪记录了整个激光冷却的全过程,其中横坐标是频率,纵坐标代表时间,离子的强度是通过指数坐标的颜色代表 [6]。

激光冷却实验展望:中国正在建设的新一代大型加速器HIAF将提供非常高能量的离子束,巨大的Doppler效应将克服激光冷却低能离子束时受到的限制,大大丰富可冷却离子的种类。同时,激光冷却装置还为开展类锂和类钠高电荷态离子的激光精细谱学研究,甚至是超精细谱学研究提供了有利条件。围绕激光冷却和激光精细谱学将开展以下三个方面的工作。

激光冷却技术研究。采用连续激光结合RF-Buncher技术,进行重离子束的激光冷却研究。如图4(左)所示,如果HIAF的设计磁刚度为70Tm,使用高次谐波257nm激光可以冷却的最重类锂/钾离子是Mo离子(Z=42);如果采用200nm激光,可冷却的重离子极限可以延伸至锕族元素的Nd离子(Z=60)。

高度精细谱学研究。利用Doppler效应实现激光共振激发离子,测量在离子运动方向发射的退激X射线,能够精确确定离子共振跃迁能级的能量,测量精度可达到激光谱线的线宽,这可以精确检验强库仑场条件下的QED理论。图5(右)给出了用不同实验方法研究U89+离子QED效应的进展和利用Doppler效应开展重离子激光精细谱学实验的原理简图。通过同时测量与相对论离子共振作用的激光波长和测量到的X射线的能量,可以精确的测量到离子能级的跃迁能量,检验QED效应(10-5)。另一方面,通过精确测量发射X射线光子的能量,还能够精确确定离子在储存环中的能量(精度可达10-7) [7]。

图5 左图是固定波长为257nm和200nm的激光与不同种类的类锂和类钠离子发生共振散射实现激光冷却需要的储存环的磁刚度。(右图)开展类锂铀离子U89+的2S1/2→2P1/2能级跃迁的激光精细谱学实验的原理简图。

利用激光谱学获取原子核参数。对于核自旋I不为零的类锂离子,其基态和激发态能级会发生超精细分裂。如图6所示,利用激光精细光谱的方法可以测量高电荷态离子的超精细结构(Hyperfine Structure)和同位素移动(Isotope Shift),进而提取原子核的自旋、磁矩、电荷均方根半径等重要物理量。 

图6激光谱学研究重离子的超精细分裂示意图。核自旋不为零的2S1/2和2P1/2态的超精细能级分裂(左图),实验原理简图(右图)。

储存环中的激光冷却重离子束实验研究项目得到了国家自然科学基金,中科院大科学研究装置项目和创新群体的资助,该项目具有非常良好的国际合作,激光冷却国际合作组包括德国德累斯顿-罗森道夫研究中心(HZDR),德国赫姆霍兹重离子研究中心GSI和德国达姆工大等。

参考文献:

[1] U. Schramm, D. Habs, Progr. Part. Nucl. Phys. 53(2) 2004, 583.

[2] M. Bussmann, U. Schramm, D. Habs et al, J. Phys. Conf. Ser. 88 (2007) 012043.

[3]汶伟强,汪寒冰, 黄忠魁, 等,中国科学: 物理学 力学 天文学 46, 053001 (2016)

[4] W.Q. Wen, X. Ma et al., NIM A. 736 (2014) 75–80

[5] H.B. Wang, W.Q. Wen, et al., Nucl. Instr. Meth. B (2017),

http://dx.doi.org/10.1016/j.nimb.2017.03.096

[6] W. Q. Wen, et al., JPCS 488 (2014) 122005

[7] H. Backe, Hyperfine Interactions 171(1-3) (2006), 93.