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Authors: Cazan, Radu Mircea
Title: Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP
Online publication date: 26-Mar-2012
Language: english
Abstract: Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.
The bound electrons in hydrogen-like or lithium-like heavy ions experience extremely strong electric and magnetic fields in the surrounding of the nucleus. Laser spectroscopy of the ground-state hyperfine splitting in the lead region provides a sensitive tool to test strong-field quantum electro dynamics (QED), especially in the magnetic sector. Previous measurements on hydrogen-like systems performed in an electron-beam ion trap (EBIT) or at the experimental storage ring (ESR) were experimentally limited in accuracy due to statistics, the large Doppler broadening and the ion energy. The full potential of the QED test can only be exploited if measurements for hydrogen- and lithium-like ions are performed with accuracy improved by 2-3 orders of magnitude. Therefore, the new Penning trap setup SPECTRAP - dedicated for laser spectroscopy on trapped and cooled highly charged ions - is currently commissioned at GSI Darmstadt. Heavy highly charged ions will be delivered to this trap by the HITRAP facility in the future. rnrnSPECTRAP is a cylindrical Penning trap with axial access for external ion injection and radial optical access mounted inside a cold-bore superconducting Helmholtz-type split-coil magnet. To reach the targeted accuracy in laser spectroscopy, an efficient and fast cooling process for the highly charged ions must be employed. This can be realized by sympathetic cooling with a cloud of laser-cooled light ions. Within this thesis work, a laser system and an ion source for the production of such a 24Mg+ ion cloud was developed and commissioned at SPECTRAP. An all-solid-state laser system for the generation of 279.6 nm light was designed and built. It consists of a fiber laser at 1118.5 nm followed by frequency quadrupling using two successive second-harmonic generation stages with actively stabilized ring resonators and nonlinear crystals. The laser system can deliver more than 15 mW of UV laser power under optimal conditions and requires little maintenance. rnAdditionally, a Mg+ ion source based on the electron-impact ionization of a Mg atomic beam was developed for pulsed injection into the trap. It was demonstrated that it delivers ion bunches with small time, momentum and energy spread, and it was used in combination with the laser system to create the first clouds of up to 2600 laser-cooled Mg+ ions in SPECTRAP. Fluorescence detection of the ions as well as electronic detection using the FFT-ICR technique was demonstrated. The analysis of the fluorescence lineshape indicated single-ion sensitivity and that a final temperature of about 100 mK was reached within a few seconds of cooling.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1330
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 110 S.
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