Einsatz gepulster UV Lasersysteme zur Kühlung hochrelativistischer Ionenstrahlen und Laserspektroskopie an Beryllium-ähnlichen Krypton-Ionen

Die Ionenstrahlkühlung an Teilchenbeschleunigeranlagen zählt zu einer der unverzichtbaren Techniken zur Erzeugung von qualitativ hochwertigen Ionenstrahlen mit schmalen Geschwindigkeitsverteilungen. Mit dem Bau der zukünftigen Teilchenbeschleunigeranlage FAIR entsteht die Pilotanlage zur Laserkühlung hochenergetischer und intensiver Ionenstrahlen am SIS100. Das breite Emissionsspektrum von gepulsten Lasersystemen ermöglicht zukünftig die Anregung eines weiten Bereichs an adressierbarer, elektrische Dipolübergänge (E1), um somit initiale, breite Ionengeschwindigkeitsverteilungen am SIS100 zu kühlen. Die vorliegende Arbeit präsentiert die erfolgreiche breitbandige Laserkühlung von relativistischen und gebündelten Lithium-ähnlichen C³⁺-Ionen, welche erstmals mittels spektral breitbandigem Laserlicht am ESR gekühlt werden konnten. Hierzu wurde ein gepulstes 257 nm emittierendes UV Lasersystem verwendet. Dieses verfügt durch den Austausch der Seedquelle über einen weiten Abstimmbereich der Frequenz, bei nahezu konstanter Laserleistung. Es wird gezeigt, dass unterschiedliche Verstimmfunktionen genutzt werden können, welche einen Frequenzbereich von über 100 GHz abdecken. Dies ermöglicht die optimale Abstimmung der Laserparameter auf den Ionenstrahl für eine effiziente Laserkühlung. Mitunter wurde das gepulste Lasersystem auf eine transportable Version umgebaut. Weiterhin wird ein weiterentwickeltes Datenaufnahmesystem zur Echtzeit Betrachtung und Aufzeichnung der experimentellen anfallenden Beschleuniger-, Detektor- und Laserdaten gezeigt. Zur Untersuchung von Elektronenkorrelationen und relativistischen Effekten sowie zur Überprüfung komplexer Kalkulationsmodelle bei der theoretischen Bestimmung der Energieaufspaltung des ³P₀ - ³P₁ Übergangs in Beryllium-ähnlichen Kr³²⁺-Ionen wurden erste Erkenntnisse während einer Test-Strahlzeit zur Laserspektroskopie an Kr³²⁺ am ESR gesammelt. Während der Experimentierphase konnte eine vorherige Version des Datenaufnahmesystems, als auch des gepulsten UV Lasersystems erfolgreich eingesetzt werden. Simultan wurde ein gepulstes Farbstofflasersystem für die Spektroskopie verwendet, wobei die Strahlführung auf beide genutzten Lasersysteme ausgelegt worden ist. Ein wichtiges Resultat ist die Stabilität des Hochspannungsteilers im Bereich von ΔV/V ≤ 19 ppm bei anliegenden Hochspannungen bis zu 195 kV. Im Zuge dieser Arbeit wird die erstmalige Laserkühlung am Speicherring CSRe des IMP von relativistischen und gebündelten, Lithium-ähnlichen O⁵⁺-Ionen mittels eines cw UV Lasersystems dargestellt. Der Sauerstoff-Ionenstrahl besitzt einer Strahlenergie von 275,5 MeV/u, sodass der Kühlübergang mittels einer Laserwellenlänge von 220 nm angeregt wird. Die erfolgreiche Laserkühlung der O⁵⁺-Ionen stellt die derzeit schwerste Ionenspezies mit dem zugleich höchsten Ladungszustand sowie des energetischsten E1 Übergangs und der höchsten Ionengeschwindigkeit dar, welche mittels eines cw Lasersystems gekühlt werden konnte

XUV Fluorescence Detection of Laser-Cooled Stored Relativistic Ions

An improved moveable in vacuo XUV fluorescence detection system was employed for the laser cooling of bunched relativistic ( β = 0.47) carbon ions at the Experimental Storage Ring (ESR) of GSI Helmholtzzentrum Darmstadt, Germany. Strongly Doppler boosted XUV fluorescence (∼90 nm) was emitted from the ions in a forward light cone after laser excitation of the 2s–2p transition (∼155 nm) by a new tunable pulsed UV laser system (257 nm). It was shown that the detected fluorescence strongly depends on the position of the detector around the bunched ion beam and on the delay (∼ns) between the ion bunches and the laser pulses. In addition, the fluorescence information could be directly combined with the revolution frequencies of the ions (and their longitudinal momentum spread), which were recorded using the Schottky resonator at the ESR. These fluorescence detection features are required for future laser cooling experiments at highly relativistic energies (up to γ ∼ 13) and high intensities (up to 10 11 particles) of ion beams in the new heavy ion synchrotron SIS100 at FAIR

Advanced Concepts and Technologies for Heavy Ion Synchrotrons

New concepts and technologies are developed to advance the performance of heavy ion synchrotrons. Besides fast ramping of superconducting magnets, extreme UHV technologies to stabilize dynamic vacuum and charge related loss, broad band MA cavities, space charge compensation by means of electron lenses and new cooling technologies, e.g. laser cooling, show great promise to advance the forefront of beam parameters. Several of these technologies and concepts are developed and tested at GSI/FAIR. Progress and plans will be reported

Laser cooling taken to the extreme: cold relativistic intense beams of highly-charged heavy ions

Recent storage ring experiments have demonstrated the power and the potential of laser cooling of bunched relativistic ion beams. Encouraged by this, the heavy-ion synchrotron SIS100 at FAIR (Darmstadt, Germany) will be equipped with a truly unique laser cooling facility. A sophisticated combination of 3 newly developed UV (257 nm) laser systems and modest rf-bunching will allow for fast cooling of injected intense heavy-ion beams. There will be two powerful pulsed laser systems with MHz repetition rates and variable pulse duration (1-50 ps and 50-740 ps) and one powerful tunable cw laser system. The picosecond laser pulses are broad in frequency and will enable fast cooling of injected ion beams with a large initial longitudinal momentum spread. The cw laser can be rapidly tuned over a large frequency range and has high spectral power density, forcing the ion beams to remain cold during storage. This combination of 3 UV laser beams should be up to the challenge of suppressing intra-beam scattering and space charge effects. We will present new experimental results from the ESR storage ring and the status of the SIS100 laser cooling facility

XUV Fluorescence Detection of Laser-Cooled Stored Relativistic Ions

An improved moveable in vacuo XUV fluorescence detection system was employed for the laser cooling of bunched relativistic (β = 0.47) carbon ions at the Experimental Storage Ring (ESR) of GSI Helmholtzzentrum Darmstadt, Germany. Strongly Doppler boosted XUV fluorescence (∼90 nm) was emitted from the ions in a forward light cone after laser excitation of the 2s–2p transition (∼155 nm) by a new tunable pulsed UV laser system (257 nm). It was shown that the detected fluorescence strongly depends on the position of the detector around the bunched ion beam and on the delay (∼ns) between the ion bunches and the laser pulses. In addition, the fluorescence information could be directly combined with the revolution frequencies of the ions (and their longitudinal momentum spread), which were recorded using the Schottky resonator at the ESR. These fluorescence detection features are required for future laser cooling experiments at highly relativistic energies (up to γ∼ 13) and high intensities (up to 10¹¹ particles) of ion beams in the new heavy ion synchrotron SIS100 at FAIR

Technological features and status of the new heavy ions synchrotron SIS100 at FAIR

SIS100 is a new superconducting heavy ion synchrotron optimized for the acceleration of high intensity heavy ion beams. Most crucial intensity limitation for heavy ion beams in SIS100 is the dynamic vacuum and corresponding beam loss by projectile ionization. Ionization loss and ion induced desorption drive the residual gas pressure into an instability, generating an intensity barrier at much lower intensity levels than any space charge limit. Technologies for stabilizing the dynamic vacuum, such as extensive charge separator lattice, pumping by cryogenic magnet chambers, cryo-adsorption pumps and cryo-ion catchers had to be implemented. SIS100 will also be the first user synchrotron comprising a laser cooling system for cooling at relativistic beam energies. Combined with a strong bunch compression system, laser cooling will support the generation of short ion bunches. Meanwhile, a large amount of the SIS100 components have been delivered and preparations for installation are launched. The shell construction of SIS100 underground tunnel is completed. Installation of the technical building infrastructure and the cryogenic distribution system are ongoing