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First laser spectroscopy of Mg⁺ at CRYRING@ESR and He-Like Boron at HITRAP

Mohr, Konstantin Thilo (2022)
First laser spectroscopy of Mg⁺ at CRYRING@ESR and He-Like Boron at HITRAP.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022451
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: First laser spectroscopy of Mg⁺ at CRYRING@ESR and He-Like Boron at HITRAP
Language: English
Referees: Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried ; Walther, Prof. Dr. Thomas
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xv, 157 Seiten
Date of oral examination: 23 February 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022451
Abstract:

At the storage ring CRYRING@ESR, which was installed at GSI in 2014, the infrastructure requirements for laser spectroscopy were established within the scope of this work. This includes the installation of the laser systems, the laser beam transport as well as the coupling units to the storage ring and the infrastructure for the superposition of ion and laser beam. Moreover, a Labview-based interface for laser frequency control was developed, which uses a Fizeau interferometer of type WSU10 (HighFinesse) as a frequency standard. In the first part of this work, the experimental conditions at CRYRING@ESR were investigated with respect to laser spectroscopic studies on singly charged Mg+-ions. Particularly, the properties of the electron cooler and possible applications of the laser Doppler-velocimetry are discussed. One very interesting aspect was the laser-based observation of the excitation of synchrotron oscillations due to a slight misalignment of electron and ion beam in the electron cooler section. The main objective of the laser spectroscopic studies on Mg+ was to investigate a possible polarization build-up and preservation by optical pumping. This technique is already well established at linear accelerator facilities around the world, but has not yet been demonstrated unambiguously in storage rings. While an efficient resonant population transfer of the complete ion ensemble between different hyperfine structure states in 25Mg+ was clearly proven, an enduring polarization of the ion beam was not obtained under the current experimental conditions. From the first analysis of the recorded data, novel approaches for further systematic studies of this aspect are discussed. In the second part of the thesis, collinear laser spectroscopy was performed at the HITRAP facility. In a proof-of-principle experiment it was demonstrated that the meta-stable triplet state 2 3S1 in helium-like 11B3+ ions is sufficiently populated for laser spectroscopic studies when produced by an electron beam ion source (EBIS) of the DREEBIT type. To analyze the data, a fit-model including relativistic configuration mixing in He-like systems was applied and the so far most accurate experimental values for the rest-frame transition frequencies of the fine-structure transitions 2s 3S1 <-> 2p 3P0 and 2s 3S1 <-> 2p 3P2 were reproduced with similar accuracy. Based on these results, more accurate measurements of He-like ions are ongoing at the Collinear Apparatus for Laser Spectroscopy and Applied Sciences (COALA) at TU Darmstadt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

An dem in 2014 an der GSI installierten Speicherring CRYRING@ESR wurde im Rahmen dieser Arbeit die für Laserspektroskopie notwendige Infrastruktur geschaffen. Dies umfasst die Installation der Lasersysteme, des Strahltransports, der Einkopplung in den Speicherring und die notwendige Infrastruktur für die Überlagerung des Ionenstrahls mit den Laserstrahlen. Weiterhin wurde eine Labview-basierte Schnittstelle zur Laserfrequenzsteuerung entwickelt, die ein Fizeau-Interferometer des Typs WSU10 der Firma HighFinesse als Frequenzreferenz nutzt. Im ersten Teil der Arbeit werden die experimentellen Rahmenbedingungen am CRYRING@ESR bezüglich laserspektroskopischer Untersuchungen an einfach geladenen Mg+-Ionen untersucht. Dabei werden insbesondere die Eigenschaften des Elektronenkühlers untersucht und mögliche Anwendungen der Laser-Geschwindigkeitsmessungen diskutiert. Ein interessanter Aspekt war dabei die Laserfluoreszenz-basierte Beobachtung der Anfachung von Synchrotronoszillationen durch eine leichte Fehljustage in der Überlagerung von Elektronen- und Ionenstrahl im Kühler. Das Hauptziel der laserspektroskopischen Untersuchungen von Mg+ war die Untersuchung eines möglichen Polarisationsaufbaus und -erhalts durch optisches Pumpen. Diese Technik ist an linearen Beschleunigeranlagen weltweit schon gut etabliert, konnte aber bislang in Speicherringen noch nicht unzweifelhaft demonstriert werden. Während ein effizienter resonanter Populationstransfer des gesamten Ionenensembles zwischen den beiden Hyperfeinstrukturgrundzuständen der 25Mg+ Ionen beobachten ließ, konnte eine dauerhafte Polarisation des Ionenstrahls unter den gegebenen experimentellen Bedingungen nicht nachgewiesen werden. Anhand der hier präsentierten ersten Analyse der gewonnen Daten werden neue Ansätze zur weiteren Untersuchung dieses Aspektes diskutiert. Zusätzlich zu den Untersuchungen am Speicherring wurde im zweiten Teil der Arbeit mit dem für CRYRING@ESR aufgebauten Lasersystem und weiterentwickeltem Datenaufnahmesystem kollineare Laserspektroskopie an der HITRAP-Anlage durchgeführt. In einer Machbarkeitsstudie wurde dort demonstriert, dass der metastabile Triplett-Zustand 2 3S1 in heliumähnlichen 11B3+-Ionen bei der Produktion in einer Elektronenstrahl-Ionenquelle (EBIS) des DREEBIT-Typs für laserspektroskopische Untersuchungen ausreichend stark besetzt wird. Bei der Analyse der Daten wurde die relativistische Konfigurationsmischung in He-ähnlichen Systemen mit Hyperfeinstruktur berücksichtigt und so die bis dahin genauesten experimentellen Werte für die Ruhefrequenzen der Feinstrukturübergänge 2s 3S1 <-> 2p 3P0 und 2s 3S1 <-> 2p 3P2 mit vergleichbarer Genauigkeit reproduziert. Basierend auf diesen Ergebnissen sind jetzt weitere, präzisere Messungen heliumartiger Ionen an der “Kollinearen Apparatur für Laserspektroskopie und Angewandte Wissenschaft” (KOALA) an der TU Darmstadt im Gange.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-224518
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 20 Oct 2022 12:12
Last Modified: 20 Oct 2022 12:12
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22451
PPN: 500655316
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