重离子冷却储存环中激光冷却的物理机制、影响因素及动力学研究

With the advanced accelerator technology, higher beam quality are required to perform higher level experiments, such as mass measurement of radionuclide, high precision nuclear reaction experiments, study on Hyperfine splitting measurement and QCD effect of high charge state ions, etc. This project intends to depend on HIRFL-CSR, then do research on the physical mechanism，influence factors and beam dynamics of laser cooling. The main research contents include: 1. Study on the physical mechanism，influencing factors of laser cooling. 2. Simulating the beam dynamics of laser cooling and design some programs. 3. Based on the existing device, analyse the feasibility and possible results. The research results will provide important theory basis and guide for laser cooling experiments on the heavy ion accelerator facility in the future.

随着加速器技术的不断发展和提高，高品质的束流为开展高精度的核物理和原子物理相关实验提供良好的研究平台。如放射性原子核的质量测量、高精度的核反应实验及高电荷态离子的超精细分裂测量研究QCD效应等。本项目拟以国家九五重大科学工程HIRFL-CSR为依托，研究利用激光进行重离子束冷却的物理机制、影响因素及模拟激光冷却的束流动力学过程。主要研究内容包括：1、重离子冷却储存环中激光冷却物理机制和影响因素的研究。2、激光冷却过程的束流动力学模拟及相关计算软件的开发。3、在现有加速器装置的基础上，分析激光冷却的可行性及可能取得的结果。研究结果将为重离子加速器开展激光冷却实验研究提供重要的理论依据和指导。

与随机冷却和电子冷却相比较，激光冷却具有非常高的冷却效率，可以使离子束达到空前高的相空间密度，是最有可能实现结晶束和有序束的冷却技术。激光冷却的成功将为核物理和原子分子物理实验提供更好的研究平台。.为了研究激光冷却的物理机制、影响因素和动力学过程，研究相关参数的关系，为将来的激光冷却实验提供优化的参数值，本课题将以CSRe为研究对象，选取能量为122MeV/u的12C3+为典型粒子，依据纵向运动方程编写程序对CSRe激光冷却过程中的离子束进行跟踪，分别给出了激光冷却三种模式的物理图像和主要参数的优化结果。随后，为了校验依据纵向运动方程所得到的模拟结果，并且研究CSRe中的纵向激光冷却是否对离子束的横向相空间产生影响，依据六维传输矩阵编写程序对CSRe激光冷却过程中的离子束进行跟踪。模拟结果表明，选取与离子束方向相反的连续激光结合RF-buncher的作用可以实现重离子束的激光冷却，并且，通过扫描RF-buncher的频率或者扫描连续激光的频率都可以实现大范围动量分散离子束的冷却，通过模拟给出了在CSRe上成功开展激光冷却实验的必要条件。同时，在模拟中，计算了激光冷却过程中束内散射的增长率及其对冷却过程的影响，将束内散射引起的加热作用逐步叠加到激光冷却作用上，找到了CSRe激光冷却过程中冷却与加热的平衡状态，也就是激光冷却的最终结果。随后，为了方便与激光冷却的实验结果进行比对，开展了激光冷却过程中肖特基频谱的模拟和分析，模拟了12C3+在激光冷却过程中的二维肖特基谱，利用肖特基谱得到了束流的动力学参数，如：同步振荡频率和动量分散，在二维肖特基谱的模拟结果中所得到的同步振荡频率值和动量分散值都能与已有的12C3+离子束的测试性实验结果相一致。并且，通过肖特基谱的模拟结果可以解释部分实验现象并预测将来激光冷却的实验结果。因此，结合激光冷却过程中二维肖特基谱的模拟结果和CSRe上已有的灵敏度非常高的肖特基谱仪的测量结果可以为将来的激光冷却实验和极冷束流的动力学过程研究提供有利的工具。在本文最后简单地介绍了CSRe激光冷却系统的现状和相关测试性实验的结果，这些结果表明，CSRe已具有开展激光冷却研究的条件，束流品质和相关硬件设备也能够满足实验研究的需求。