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Lasersystem zur Kühlung relativistischer C3+-Ionenstrahlen in Speicherringen

Beck, Tobias :
Lasersystem zur Kühlung relativistischer C3+-Ionenstrahlen in Speicherringen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Lasersystem zur Kühlung relativistischer C3+-Ionenstrahlen in Speicherringen
Language: German
Abstract:

Kalte Ionenstrahlen sind von essentieller Bedeutung für Präzisionsexperimente an Speicherringen. Nicht nur spektroskopische Experimente profitieren von der hohen Energieauflösung, sondern auch Kollisionsexperimente von der erhöhten Brillanz kalter Strahlen. Zusätzlich ist es vorstellbar, mit Hilfe kalter Ionenstrahlen exotischere Spezies sympathetisch zu kühlen.

Neben der bereits lange etablierten Elektronenkühlung gewinnen gerade für hochenergetische Teilchen zunehmend auch alternative Methoden an Bedeutung. So gab es bereits in der Vergangenheit Experimente, gespeicherte Teilchen mit Hilfe von Lasern zu kühlen. Dabei kamen meist frequenzverdoppelte Argon-Ionenlaser bei 257 nm zur Anwendung, die sich wegen ihrer Ausgangsleistung im erforderlichen Wellenlängenbereich anbieten. Durch die stark eingeschränkte Abstimmbarkeit dieser Systeme war es jedoch nicht möglich, die gesamte Impulsbandbreite der Ionenstrahlen zu kühlen.

Da bisher keine kommerziellen Alternativen erhältlich sind, die auch die notwendige Abstimmbarkeit bieten, wurde in dieser Arbeit ein eigenes Lasersystem entwickelt, charakterisiert und schlussendlich bei einer Strahlzeit am Experimentierspeicherring (ESR) der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) erprobt.

Das vollständig festkörperbasierte System liefert bis zu 180 mW Ausgangsleistung bei 257 nm und ist bei dieser Wellenlänge bis zu 16 GHz in 10 ms modensprungfrei abstimmbar. Durch die Verwendung effizienter Diodenlaser ist das System zusätzlich deutlich energieeffizienter als vergleichbare Argon-Ionenlaser. Die Ausgangswellenlänge von 1028 nm wird mit Hilfe eines Yb-Faserverstärkers auf eine Leistung von bis zu 16 W gebracht. Anschließend wird in zwei konsekutiven Überhöhungsresonatoren die Zielwellenlänge von 257 nm realisiert. Als Frequenzreferenz dient ein zusätzlicher Diodenlaser, der auf ein Wellenlängenmessgerät stabilisiert ist.

Dieses neue Lasersystem konnte im Rahmen einer Strahlzeit im August 2012 erstmals eingesetzt werden. Dabei wurden erfolgreich relativistische C3+ Ionen mit beta = 0,47 gekühlt. Erstmals war es hierbei möglich die gesamte Impulsbandbreite gebündelter Ionenstrahlen ausschließlich mit einem Laser ohne vorherige Elektronenkühlung anzusprechen. Dabei wurde im Vergleich zu vorherigen Experimenten lediglich die Frequenz des Lasers verstimmt und nicht die Bunchingfrequenz des Ionenstrahls. Die Ergebnisse für die verbleibende Impulsbandbreite waren mit Delta p/p = 10^-6 durch die Nachweismöglichkeiten des verwendeten Messsystems limitiert. Es konnte gezeigt werden, dass neue, abstimmbare Lasersysteme für die Kühlung relativistischer Ionenstrahlen geeignet sind und auch für zukünftige Anlagen wie SIS 100/FAIR eine bedeutende Rolle spielen können.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Cold ion beams are essential for many precision experiments at storage rings. While spectroscopic experiments gain from the high energy resolution, collision experiments benefit from the increased luminosity. Furthermore, sympathetic cooling of exotic species is conceivable with the aid of cold ion beams. Besides the long established electron cooling, alternative cooling methods are gaining in importance, especially for high energy particles. In the past, experiments to cool ions with lasers were performed. Because of the matching wavelength and output power, frequency doubled Argon-ion lasers at 257 nm were used during these experiments. Due to the strongly limited scanning potential of these systems, it was not possible to cool the full inertia spread of the ion beams. A new laser system was developed in this thesis because of the lack of commercial alternatives. After the characterization of the system, it was tested during a beamtime at the Experimentierspeicherring (ESR) at the Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI). The completely solid state based system delivers up to 180 mW of output power at 257 nm and is modehop free tunable up to 16 GHz in 10 ms at this wavelength. By using efficient diode lasers, the new system consumes considerably less power than comparable Argon-ion lasers. The fundamental wavelength of 1028 nm is amplified up to 16 W with an Yb-doped fiber amplifier. Subsequently, the target wavelength of 257 nm is realized in two consecutive build-up cavities. Another diode laser, stabilized to a wavelength meter, serves as a frequency reference. This new laser system first came to operation during beamtime in August 2012, when relativistic C3+ ions with beta = 0.47 were cooled successfully. For the first time it was possible to access the whole inertia spread of a bunched ion beam without electron precooling. In contrast to prior experiments, only the laser frequency was scanned and not the bunching frequency of the ion beam. The results for the remaining inertia spread were with Delta p/p = 10^-6 limited by the detection capabilities of the applied measurement system. It was shown that new tunable laser systems are suitable for the cooling of relativistic ion beams and that they can play an important role even for future facilities like SIS 100/FAIR.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Laser, Ionenstrahlkühlung, ECDL, Faserverstärker, Frequenzverdopplung, Frequenzvervierfachung, UV, Spektroskopie
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
laser, ion beam cooling, ECDL, fiber amplifier, frequency doubling, frequency quadrupling, UV, spectroscopyEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 04 Mar 2015 10:54
Last Modified: 04 Mar 2015 10:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-41938
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas and Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 5 November 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4193
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