Lasersystem zur Kühlung relativistischer C3+-Ionenstrahlen in Speicherringen

• Main Author: Beck, Tobias
• Format: Others
• Language: English; de
• Published: 2015
• Online Access: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4193/1/dissertation_beck.pdf; Beck, Tobias <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Beck=3ATobias=3A=3A.html> (2015): Lasersystem zur Kühlung relativistischer C3+-Ionenstrahlen in Speicherringen.Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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.