重离子储存环CSRe上相对论能量O5+离子的激光冷却实验及模拟研究

Obtaining high quality ion beams by cooling technology is the basis of precision physics experiments in heavy-ion storage rings. Compared with established cooling schemes such as electron cooling and stochastic cooling, laser cooling has many advantages such as ultra-strong cooling force, fast cooling rate and providing ultra-low temperature ion beams. Laser cooling is regarded as one of the most promising techniques to reach high phase-space densities, achieve ordering beams and even crystalline beams for relativistic heavy ion beams at storage rings. Up to now, only 6Li+, 7Li+, 9Be+, 24Mg+, and 12C3+ ions have been laser-cooled at the heavy-ion storage rings, and crystalline beams have not been achieved yet. We are planning to perform the laser cooling experiment of relativistic O5+ ion beams by using a CW laser with a wavelength of 220 nm, and also preform the simulation by using the Molecular Dynamics (MD) method. Compared with the previously laser-cooled ions, the O5+ ions have higher charge state, which will benefit for increasing the plasma Coulomb coupling parameter of the ion beams to achieve ordering beam and crystalline beam. This project will lay the foundation for the laser cooling experiments of relativistic highly charged ions at the CSRe and the future large accelerator HIAF.

通过冷却技术获得高品质的离子束是重离子储存环上开展精密物理实验的基础。与已经发展成熟的电子冷却和随机冷却技术相比，激光冷却具有冷却作用力强、冷却速度快、冷却效率高的优势，是重离子储存环中最有希望达到超高相空间密度、实现离子束相变，并最终获得有序束甚至晶化束的方法。目前重离子储存环上已经实现了6Li+、7Li+、9Be+、24Mg+和12C3+离子的激光冷却，但没有观测到明显的离子束相变过程。本项目拟在储存环CSRe上利用一束波长为220nm的连续激光开展相对论能量O5+离子的激光冷却实验，同时利用分子动力学方法对该实验开展模拟研究。与已经实现激光冷却的离子相比，O5+离子的电荷态更高，有利于提高离子束的等离子体库仑耦合参数，从而获得有序束甚至晶化束。本项目将为CSRe及未来的强流加速器装置HIAF上的相对论能量高电荷态离子的激光冷却实验奠定基础。

通过冷却技术获得高品质的离子束是重离子储存环上开展精密物理实验的基础。激光冷却具有冷却作用力强、冷却速度快、冷却效率高的优势，是重离子储存环中最有希望达到超高相空间密度、实现离子束相变，并最终获得有序束甚至晶化束的方法。在本项目的资助下，我们在储存环CSRe上成功使用一束波长为220nm的连续激光结合射频聚束器RF-buncher实现了能量为275MeV/u的O5+离子的激光冷却实验，是目前重离子储存环上实现激光冷却的电荷态最高、能量最高、跃迁波长最短的离子。此外，我们还首次使用一束激光结合电子冷却器实现了16O5+离子束的激光冷却，获得了动量分散~10^-6的激光冷却峰，为未来开展16O5+离子的精密激光谱学实验奠定了基础。基于成功的激光冷却实验，我们使用单粒子追踪的方法开展了相关的模拟工作。首先，成功实现了储存环上连续束离子的肖特基频谱模拟，通过分析离子与激光共振相互作用过程、激光夹角、离子束横向beta振荡等影响，首次解释了CSRe和ESR实验结果中激光作用范围极大增宽的原因。其次，开展了束团束肖特基频谱的模拟研究，模拟中使用微分方程模型对离子的相空间运动进行追踪，并结合傅里叶变换得到束团束离子的肖特基频谱。最后，成功开展了储存环上的激光冷却模拟工作，模拟了不同实验条件下的离子束肖特基频谱，模拟结果均与实验结果基本一致。然而，目前本项目仍存在一些不足，如实验仅冷却了bucket接收度内的离子，处于接收度外的离子并没有被冷却，此外，模拟对束团束肖特基频谱中心峰增强效应出现的条件等也仍存有一定的疑问，需要进一步开展相关工作进行研究等。本项目及下一步工作将为CSRe及未来的强流加速器装置HIAF上的相对论能量高电荷态离子的激光冷却及精密激光谱学实验奠定基础，并为CERN上的gamma光子工厂项目提供实验和模拟支撑。