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Laser Cooling of Intense Relativistic Ion Beams

Eidam, Lewin :
Laser Cooling of Intense Relativistic Ion Beams.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Laser Cooling of Intense Relativistic Ion Beams
Language: English
Abstract:

Doppler laser cooling is a technique to reduce the longitudinal momentum spread of an ion beam in a circular accelerator. In the past, the principle was investigated and verified on non-relativistic ion beams. Within the FAIR project, laser cooling will be applied to high intensity and relativistic ion beams for the first time. Laser cooling results in a further increase of the longitudinal ion density and creates exotic longitudinal phase space distributions. In order to ensure stable operation and optimize the cooling process, this dissertation numerically investigates the particle dynamics and the interplay of the laser force and high intensity effects. This work describes the ion-photon interaction and derives the laser force on ions at relativistic energies. The force is calculated for continuous wave and pulsed laser excitations. The pulsed laser excitation results in a broadband force, which interacts with all ions simultaneously, whereas the width of the continuous wave laser force is typically three to four orders of magnitude smaller. In order to interact with all ions, the position of the continuous wave laser force is scanned during the cooling process. The particle dynamics during the cooling processes for both laser forces are analyzed and compared. The impact of heating effects during the laser cooling process is also investigated. Scattering events within the beams limit the maximum ion intensity for the cooling for both a continuous wave or a pulsed laser system. In addition, numerical simulations show two instabilities, that arise during the scan of the continuous wave laser force and are triggered by space charge. This work describes the development of the instabilities and the impact on the laser cooling process. Analytical expressions for the threshold of instabilities and maximum ion intensities are given. The scaling of the cooling process and intensity limitations with beam energy is discussed in order to evaluate the prospects of laser cooling experiments at relativistic energies. The work concludes with the comparison of the cooling process of non-relativistic carbon ions and relativistic titanium ions. The comparison emphasizes the main challenges for laser cooling experiments in the SIS100 synchrotron at FAIR.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Doppler-Laserkühlung ist eine Methode zur Reduzierung der longitudinalen Impulsverteilung eines Ionenstrahls in einem zirkularen Beschleuniger. In der Vergangenheit wurde das Prinzip an nicht-relativistischen Ionenstrahlen untersucht und verifiziert. Im Rahmen des FAIR-Projekts wird erstmalig die Laserkühlung an hoch intensiven und relativistischen Ionenstrahlen angewendet. Die Laserkühlung erhöht die longitudinale Ionendichte und führt zu exotischen longitudinalen Phasenraumverteilungen des Io- nenstrahls. Diese Dissertation befasst sich mit der numerischen Untersuchung der Teilchendynamik und dem Zusammenspiel der Laserkraft und Intensitätseffekten, um den Kühlprozess zu optimieren und einen stabilen Betrieb des Beschleunigers während der Strahlkühlung zu gewährleisten. Diese Arbeit beschreibt die Ionen-Photonen-Wechselwirkung und leitet die Laserkraft für relativistische Ionenstrahlen her. Die Kraft wird für eine zeitlich konstante und eine gepulste Laseranregung berechnet. Die Anregung mit einem gepulsten Laser führt zu einer breitbandigen Kraft, welche auf alle Ionen gleichzeitig wirkt. Die zeitlich konstante Anregung resultiert in einer drei bis vier Größenordnungen schmalbandigeren Laserkraft. Um eine Kühlung aller Ionen zu gewährleisten, wird die Position der schmalbandigen Laserkraft im Phasenraum sequentiell abgefahren. Die Teilchendynamik beider Kühlprozesse wird analysiert und miteinander verglichen. Der Einfluss von Heizprozessen auf den Verlauf der Strahlkühlung ist Teil der Untersuchung. Streuprozesse innerhalb des Strahls limitieren die maximale Ionendichte des Kühlprozesses mit zeitlich konstanter und gepulster Laseranregung. Darüber hinaus zeigen numerische Simulationen zwei Instabilitäten, welche während der sequentiellen Abtastung der schmalbandigen Laserkraft durch Raumladung ausgelöst werden. Diese Arbeit beschreibt die Entstehung der Instabilitäten und die Auswirkungen auf den Kühlprozess. Analytische Ausdrücke für den Schwellwert der Strahlintensität werden angegeben. Die Skalierung des Kühlprozesses und der relevanten Intensitätseffekte für unterschiedliche Strahlenergien wird diskutiert, um einen Ausblick auf künfigte Experimente von Laserkühlung an relativistischen Ionenstrahlen zu geben. Die Arbeit schließt mit einem Vergleich der Laserkühlung von nicht-relativistischen Kohlenstoffionen und relativistischen Titanionen ab. Der Vergleich zeigt die Herausforderungen der Laserkühlung im SIS100 Synchrotron an FAIR auf.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > Accelerator Physics
Date Deposited: 02 Jan 2018 11:42
Last Modified: 02 Jan 2018 11:42
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-71523
Referees: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver and Enders, Prof. Dr. Joachim
Refereed: 14 December 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7152
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  • Laser Cooling of Intense Relativistic Ion Beams. (deposited 02 Jan 2018 11:42) [Currently Displayed]
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