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