重离子储存环CSRe上激光冷却相对论能量类锂12C3+离子束的实验研究

Laser cooling is one of the most promising techniques to reach high phase-space densities and achieve phase transition, ordered even crystalline beam for relativistic heavy ion beams at storage rings. Compared with the established cooling schemes at storage rings, such as stochastic cooling and electron cooling, laser cooling can provide the ultra-low temperature (mK) ion beams, and the precision laser spectroscopy of the highly charged ions can be performed simultaneously during the laser cooling experiments. In order to study laser cooling of broad momentum spread ion beams by combining a cw laser system and a RF-buncher at storage rings, we propose to perform the laser cooling of relativistic 122MeV/u Li-like 12C3+ ion beams by a cw laser system at the experimental cooler storage ring CSRe in the Institute of Modern Phyics, Chinese Academy of Sciences. Based on the laser cooling experiment, the ultra-cold ion beams with longitudinal momentum spread less than 1×10^-6 will be obtained, the dynamics of these ultra-cold ion beams will be studied systematically by using the one ion sensitive resonant Schottky spectrometry and ultraviolet sensitive fluorescence detection system.

激光冷却储存环中相对论能量的重离子束是最有希望得到高相空间密度离子束、实现离子束相变并且获得有序束和晶化束的一种方法。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可以将离子束冷却到极低温度（mK），并且可以在激光冷却过程中开展高电荷态离子的精细激光谱学研究。为了研究在储存环上利用一束激光结合射频聚束器RF-buncher对大范围动量展宽相对论能量的离子束实现冷却，本项目拟在中科院近代物理研究所的重离子冷却储存环CSRe上利用一束257nm的连续激光开展激光冷却能量为122MeV/u的类锂12C3+离子束实验，获得纵向动量展宽小于1×10^-6的超冷离子束，结合CSRe上的单离子响应的共振Schottky谱仪和紫外响应的荧光探测系统开展超冷离子束动力学研究。

在本项目的资助下，我们在兰州重离子加速器冷却储存环CSRe上开展了能量为122MeV/u的12C3+离子束脉冲激光冷却测试实验，结合电子冷却和纵向束流调制器，实验研究了冷却离子束纵向动力学，并观测到压缩离子束的肖特基信号增强效应。为了深入理解激光冷却物理机制，我们利用单粒子追踪方法对CSRe上相对论能量离子束激光冷却动力学过程进行了模拟，模拟得到的激光冷却肖特基谱和实验结果符合很好，在考虑了束内散射效应后给出了最佳的实验条件。在此基础上，我们利用一束220nm连续激光实现了能量为275MeV/u类锂16O5+离子束的激光冷却实验，是目前激光冷却实验中离子电荷态最高，能量最高，跃迁波长最短的实验，实验结果包括：得到离子束纵向动量展宽约为1×10-6的超冷离子束；通过扫描激光频率实现了大范围动量展宽离子束的激光冷却；利用连续激光结合电子冷却作用力实现了对连续束的激光冷却，同时观测到电子冷却和激光冷却效果，实验结果表明在电子冷却基础上开展激光冷却不仅能够获得动量展宽小一个量级的离子束，并且能够开展高精度激光精密谱学实验。在本项目支持下，我们成立了基于重离子冷却储存环CSRe的激光冷却实验国际合作组“Laser cooling collaboration @CSRe”.此外，先进激光结合重离子储存环能够开展高电荷态重离子精细结构和超精细结构的精密激光谱学实验，其实验精度主要取决于离子束品质和离子束能量精确测量，因此在激光冷却实验的基础上开展高电荷态离子激光精密谱学实验能够在实验精度上获得突破，精密检验强场QED效应。本研究工作发展的实验方法将用于未来强流重离子加速器HIAF上的更高电荷态相对论能量重离子的激光冷却和精密激光谱学实验。