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Authors: Andelkovic, Zoran
Title: Setup of a Penning trap for precision laser spectroscopy at HITRAP
Online publication date: 25-May-2012
Language: english
Abstract: Ion traps have been established as a powerful tool for ion cooling and laser spectroscopy experiments since a long time ago. SpecTrap, one of the precision experiments associated to the HITRAP facility at GSI, is implementing a Penning trap for studies of large bunches of externally produced highly charged ions. The extremely strong electric and magnetic fields that exist around the nuclei of heavy elements drastically change their electronic properties, such as energy level spacings and radiative lifetimes. The electrons can therefore serve as sensitive probes for nuclear properties such as size, magnetic moment and spatial distribution of charge and magnetization. The energies of forbidden fine and hyperfine structure transitions in such ions strongly depend on the nuclear charge and shift from the microwave domain into the optical domain. Thus, they become accessible for laser spectroscopy and its potentially high accuracy. A number of such measurements has been performed in storage rings and electron beam ion traps and yielded results with relative accuracies in the 10􀀀3 to 10􀀀4 region. This work presents the construction and commissioning of a Penning trap used for capturing highly charged ions in-flight and cooling them nearly to rest, thus reducing Doppler broadening and increasing the possible accuracy. As an important step-stone towards that goal, singly charged Mg ions were produced in an nelectron impact ion source, transported to the trap and laser cooled to sub-K temperatures. Indications of Coulomb crystals formation are reported. Non-destructive detection of the stored ions was performed both electronically, with the attached cryogenic resonant circuits, and optically, by observing the fluorescence directly from the trap centre. The designed electronic components can also be used for resistive cooling, which becomes particularly efficient for highly charged ions. It was demonstrated that large ion clouds can be created in the trap, formed by accumulating many consecutive ion source shots. Ions were stored with lifetimes of the order of 100 s and cooled to temperatures lower than 60 mK. The same technique can be used in future experiments for mixing laser-cooled Mg+ with highly charged ions delivered by HITRAP. Thus, sympathetic cooling of highly charged ions to sub-K temperatures will become possible. This is sufficient for reducing the Doppler width of a transition in a heavy ion to several MHz and enables laser spectroscopy experiments with a relative accuracy up to 10􀀀8. viii
Ionenfallen sind bereits seit geraumer Zeit wohletablierte Instrumente für die Speicherung und Kühlung von Ionen, insbesondere vor dem Hintergrund von Laserspektroskopie- Experimenten. SpecTrap ist eines der Präzisionsexperimente im Rahmen des HITRAP-Projekts an der GSI und verwendet eine Penning-Ionenfalle für spektroskopische Untersuchungen an extern erzeugten, hoch geladenen Ionen. In solchen Wenig-Elektronensystemen erfahren die elektronischen Energieniveaus und radiativen Lebensdauern von Zuständen extreme Veränderungen durch die hohen elektrischen und magnetischen Feldstärken in der Nähe des ionischen Kerns. Sie sind daher sehr empfindliche Proben für Kerneigenschaften wie etwa Größe, magnetisches Moment und die räumlichen Verteilungen der Ladung und Magnetisierung. Übergänge zwischen Niveaus der Fein- und Hyperfeinstruktur sind magnetische Dipolübergänge, die durch die starke Abhängigkeit der Kernfelder von der Kernladungszahl im optischen Wellenlängenbereich liegen können. Sie sind daher den Methoden der Laserspektroskopie und der damit verbundenen hohen Präzision zugänglich. Verschiedene Messungen an derartigen Übergängen sind bereits in Speicherringen und Elektronenstrahl- Ionenfallen durchgeführt worden, mit relativen Genauigkeiten im Promille-Bereich. In dieser Arbeit wird der Aufbau und die Durchführung eines Penningfallen-Experiments vorgestellt, welches geeignet ist, extern erzeugte, hoch geladene Ionen einzufangen, zu speichern, zu kühlen und mit noch größeren relativen Genauigkeiten zu spektroskopieren. Als Vorbereitung hierauf wurden einfach geladene Mg-Ionen in einer externen Quelle erzeugt, in die Falle eingefangen, gespeichert und auf Temperaturen unterhalb von einem Kelvin gekühlt. Experimentelle Hinweise auf die Bildung von Coulomb-Kristallen wurden gesammelt. Das Experiment erlaubt sowohl elektronische und optische Kühlung der Ionenbewegung als auch zerstörungsfreien elektronischen und optischen Nachweis der gespeicherten Ionen. Große Ionenensembles konnten in der Falle gesammelt und gespeichert werden durch wiederholten Einfang von extern erzeugten Ionen. Diese Ensembles konnten mit einer Speicherzeitkonstanten von etwa 100 Sekunden gespeichert und auf Temperaturen von unterhalb 60 mK gekühlt werden. Hiermit können in künftigen Experimenten die hoch geladenen Ionen aus der HITRAP-Anlage sympathetisch auf entsprechende Temperaturen gekühlt werden. Diese Kühlung ermöglicht Spektroskopie bei relativen Dopplerbreiten der untersuchten Übergänge von der Größenordnung MHz und erlaubt damit relative spektroskopische Auflösungen von etwa 10􀀀8. ix
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use:
Extent: XII, 119 S.
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