CSR外靶实验终端中CsI(Tl)晶体的测试；Test of CsI(Tl) Crystal at External Target Experimental Terminal of Cooling Storage Ring

为测量重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)的外靶实验终端上不同能量的γ射线,一种用于探测γ射线的高能量分辨的探测装置正在中国科学院近代物理研究所建设,该探测器由中国科学院近代物理研究所自行生长的铊激活的碘化铯CsI(Tl)晶体组成。与日本Hamamatsu公司生产的S8664-1010型雪崩光二极管(APD)耦合,测试其光输出的非均匀性和能量分辨,从测试结果给出了所需CsI(Tl)晶体合格的标准。目前已完成该γ探测球计划的六分之一,所提供的晶体合格率达94%以上。

Experimental Study of Storage Ring Free-Electron Laser with Novel Capabilities

The Duke Free-electron laser (FEL) system, driven by the Duke electron storage ring, has been at the forefront of developing new light source capabilities over the past two decades. In 1999, the Duke FEL demonstrated the first lasing of a storage ring FEL in the vacuum ultraviolet (VUV) region at $194$ nm using two planar OK-4 undulators. With two helical undulators added to the outboard sides of the planar undulators, in 2005 the highest FEL gain ($47.8\%$) of a storage ring FEL was achieved using the Duke FEL system with a four-undulator configuration. In addition, the Duke FEL has been used as the photon source to drive the High Intensity $\gamma$-ray Source (HIGS) via Compton scattering of the FEL beam and electron beam inside the FEL cavity. Taking advantage of FEL's wavelength tunability as well as the adjustability of the energy of the electron beam in the storage ring, the nearly monochromatic $\gamma$-ray beam has been produced in a wide energy range from $1$ to $100$ MeV at the HIGS. To further push the FEL short wavelength limit and enhance the FEL gain in the VUV regime for high energy $\gamma$-ray production, two additional helical undulators were installed in 2012 using an undulator switchyard system to allow switching between the two planar and two helical undulators in the middle section of the FEL system. Using different undulator configurations made possible by the switchyard, a number of novel capabilities of the storage ring FEL have been developed and exploited for a wide FEL wavelength range from infrared (IR) to VUV. These new capabilities will eventually be made available to the $\gamma$-ray operation, which will greatly enhance the $\gamma$-ray user research program, creating new opportunities for certain types of nuclear physics research.

With the wide wavelength tuning range, the FEL is an intrinsically well-suited device to produce lasing with multiple colors. Taking advantage of the availability of an undulator system with multiple undulators, we have demonstrated the first two-color lasing of a storage ring FEL. Using either a three- or four-undulator configuration with a pair of dual-band high reflectivity mirrors, we have achieved simultaneous lasing in the IR and UV spectral regions. With the low-gain feature of the storage ring FEL, the power generated at the two wavelengths can be equally built up and precisely balanced to reach FEL saturation. A systematic experimental program to characterize this two-color FEL has been carried out, including precise power control, a study of the power stability of two-color lasing, wavelength tuning, and the impact of the FEL mirror degradation. Using this two-color laser, we have started to develop a new two-color $\gamma$-ray beam for scientific research at the HIGS.

Using the undulator switchyard, four helical undulators installed in the beamline can be configured to not only enhance the FEL gain in the VUV regime, but also allow for the full polarization control of the FEL beams. For the accelerator operation, the use of helical undulators is essential to extend the FEL mirror lifetime by reducing radiation damage from harmonic undulator radiation. Using a pair of helical undulators with opposite helicities, we have realized (1) fast helicity switching between left- and right-circular polarizations, and (2) the generation of fully controllable linear polarization. In order to extend these new capabilities of polarization control to the $\gamma$-ray operation in a wide energy range at the HIGS, a set of FEL polarization diagnostic systems need to be developed to cover the entire FEL wavelength range. The preliminary development of the polarization diagnostics for the wavelength range from IR to UV has been carried out.

ATOMIC PHYSICS RESEARCHES AT COOLER STORAGE RING IN LANZHOU

The commissioning of the cooler storage rings (CSR) was successful, and the facility provides new possibilities for atomic physics with highly charged ions. Bare carbon, argon ions, were successfully stored in the main ring CSRm, cooled by cold electron beam, and accelerated up to 1 GeV/u. Heavier ions as Xe44+ and Kr28+ were also successfully stored in the CSRs. Both of the rings are equipped with new generation of electron coolers which can provide different electron beam density distributions. Electron-ion interactions, high precision X-ray spectroscopy, complete kinematical measurements for relativistic ion-atom collisions will be performed at CSRs. Laser cooling of heavy ions are planned as well. The physics programs and the present status will be summarized.

兰州重离子加速器冷却储存环主环二极铁电源设计；Design of main ring dipole power supply for Heavy Ion Research Facility in Lanzhou-Cooling Storage Ring

主环二极铁电源是兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)工程的关键设备和指标要求最高的一台电源,采用了独特的拓扑和控制策略。为满足峰值功率3.15MW(3kA,1.45kV)的输出能力和快脉冲要求,采用了晶闸管整流并联脉宽调制补偿单元的主电路拓扑结构和特殊的控制方式,这套综合方案确保电源满足了全部技术指标。本文介绍了该拓扑结构的原理和优势,讨论了为满足±2×10-4的跟踪误差的要求而采用的控制拓扑和双基准给定的原理,并简介了调试过程和近年来的运行和改进情况。

CSRe储存环动力学孔径研究(英文)；Dynamic Aperture Studies for CSRe Storage Ring

动力学孔径对环形加速器,尤其是现代的储存环,起着越来越重要的作用。采用MAD程序研究了兰州重离子加速器实验环(CSRe)的动力学孔径。通过对比几种情况下的模拟结果,发现六极铁和二极铁的高阶场对束流的动力学孔径影响较大,使CSRe的动力学孔径减小,但减小后的动力学孔径也远大于该环的物理孔径。因此,束流可以长期、稳定的存在。

Thomas-Fermi ground state of dipolar fermions in a circular storage ring

Recent developments in the field of ultracold gases has led to the production of degenerate samples of polar molecules. These have large static electric-dipole moments, which in turn causes the molecules to interact strongly. We investigate the interaction of polar particles in waveguide geometries subject to an applied polarizing field. For circular waveguides, tilting the direction of the polarizing field creates a periodic inhomogeneity of the interparticle interaction. We explore the consequences of geometry and interaction for stability of the ground state within the Thomas-Fermi model. Certain combinations of tilt angles and interaction strengths are found to preclude the existence of a stable Thomas-Fermi ground state. The system is shown to exhibit different behavior for quasi-one-dimensional and three-dimensional trapping geometries.

FIRST ISOCHRONOUS MASS MEASUREMENTS AT CSRe

With the commissioning of the Cooler Storage Ring at the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL-CSR), a pilot experiment operating the CSRe in isochronous mode to test the power of HIRFL-CSR for measuring the mass of the short-lived nucleus was performed in December of 2007. The transition point gamma t of CSRe in isochronous mode is 1.395 which corresponds to the energy about 368 MeV/u for the ions with atomic number-to-charge ratio A/q = 2. The fragments with A/q = 2 of Ar-36 were injected into CSRe and their revolution frequencies were measured with a fast time pick-up detector with a thin foil in the circulating path of the ions. A mass resolution of better than 105 for m/Delta m was achieved.

Polarization studies of radiative electron capture into highly-charged uranium ions

Recent advances in the development of 2D microstrip detectors open up new possibilities for hard x-ray spectroscopy, in particular for polarization studies. These detectors make ideal Compton polarimeters, which enable us to study precisely the polarization of hard x-rays. Here, we present recent results from measurements of Radiative Electron Capture into the K-shell of highly-charged uranium ions. The experiments were performed with a novel 2D Si(Li) Compton polarimeter at the Experimental Storage Ring at GSI. Stored and cooled beams of U91+ and U92+ ions, with kinetic energies of 43 MeV/u and 96 MeV/u respectively, were crossed with a hydrogen gasjet. The preliminary data analysis shows x-rays from the K-REC process, emitted perpendicularly to the ion beam, to be strongly linearly polarized.

Grazing incidence pumped Zr x-ray laser for spectroscopy on Li-like ions

X-ray laser fluorescence spectroscopy of the 2s-2p transition in Li-like ions is promising to become a widely applicable tool to provide information on the nuclear charge radii of stable and radioactive isotopes. For performing such experiments at the Experimental Storage Ring ESR, and the future NESR within the FAIR Project, a grazing incidence pumped (GRIP) x-ray laser (XRL) was set up at GSI Darmstadt using PHELIX (Petawatt High Energy Laser for heavy Ions eXperiments). The experiments demonstrated that lasing using the GRIP geometry could be achieved with relatively low pump energy, a prerequisite for higher repetition rate. In the first chapter the need of a plasma XRL is motivated and a short history of the plasma XRL is presented. The distinctive characteristic of the GRIP method is the controlled deposition of the pump laser energy into the desired plasma density region. While up to now the analysis performed were mostly concerned with the plasma density at the turning point of the main pump pulse, in this thesis it is demonstrated that also the energy deposition is significantly modified for the GRIP method, being sensitive in different ways to a large number of parameters. In the second chapter, the theoretical description of the plasma evolution, active medium and XRL emission properties are reviewed. In addition an innovative analysis of the laser absorption in plasma which includes an inverse Bremsstrahlung (IB) correction factor is presented. The third chapter gives an overview of the experimental set-up and diagnostics, providing an analytical formula for the average and instantaneous traveling wave speed generated with a tilted, on-axis spherical mirror, the only focusing system used up to now in GRIP XRL. The fourth chapter describes the experimental optimization and results. The emphasis is on the effect of the incidence angle of the main pump pulse on the absorption in plasma and on output and gain in different lasing lines. This is compared to the theoretical results for two different incidence angles. Significant corrections for the temperature evolution during the main pump pulse due to the incidence angle are demonstrated in comparison to a simple analytical model which does not take into account the pumping geometry. A much better agreement is reached by the model developed in this thesis. An interesting result is also the appearance of a central dip in the spatially resolved keV emission which was observed in the XRL experiments for the first time and correlates well with previous near field imaging and plasma density profile measurements. In the conclusion also an outlook to the generation of shorter wavelength XRL’s is given.

Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP

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.

Test der Speziellen Relativitätstheorie mittels Laserspektroskopie an relativistischen 7 Li +-Ionen am ESR

Die Invarianz physikalischer Gesetze unter Lorentztransformationen ist eines der fundamentalen Postulate der modernen Physik und alle Theorien der grundlegenden Wechselwirkungen sind in kovarianter Form formuliert. Obwohl die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) in einer Vielzahl von Experimenten mit hoher Genauigkeit überprüft und bestätigt wurde, sind aufgrund der weitreichenden Bedeutung dieses Postulats weitere verbesserte Tests von grundsätzlichem Interesse. Darüber hinaus weisen moderne Ansätze zur Vereinheitlichung der Gravitation mit den anderen Wechselwirkungen auf eine mögliche Verletzung der Lorentzinvarianz hin. In diesem Zusammenhang spielen Ives-Stilwell Experimente zum Test der Zeitdilatation in der SRT eine bedeutende Rolle. Dabei wird die hochauflösende Laserspektroskopie eingesetzt, um die Gültigkeit der relativistischen Dopplerformel – und damit des Zeitdilatationsfaktors γ – an relativistischen Teilchenstrahlen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ives-Stilwell Experiment an 7Li+-Ionen, die bei einer Geschwindigkeit von 34 % der Lichtgeschwindigkeit im Experimentierspeicherring (ESR) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung gespeichert waren, durchgeführt. Unter Verwendung des 1s2s3S1→ 1s2p3P2-Übergangs wurde sowohl Λ-Spektroskopie als auch Sättigungsspektroskopie betrieben. Durch die computergestützte Analyse des Fluoreszenznachweises und unter Verwendung optimierter Kantenfilter für den Nachweis konnte das Signal zu Rauschverhältnis entscheidend verbessert und unter Einsatz eines zusätzlichen Pumplasers erstmals ein Sättigungssignal beobachtet werden. Die Frequenzstabilität der beiden verwendeten Lasersysteme wurde mit Hilfe eines Frequenzkamms spezifiziert, um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen. Die aus den Strahlzeiten gewonnen Daten wurden im Rahmen der Robertson-Mansouri-Sexl-Testtheorie (RMS) und der Standard Model Extension (SME) interpretiert und entsprechende Obergrenzen für die relevanten Testparameter der jeweiligen Theorie bestimmt. Die Obergrenze für den Testparameter α der RMS-Theorie konnte gegenüber den früheren Messungen bei 6,4 % der Lichtgeschwindigkeit am Testspeicherring (TSR) des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg um einen Faktor 4 verbessert werden.