冷却された相対論的イオンのレベル間の遷移は、レーザー分光法を使用して測定されました

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Anonim
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物理学者は、蓄積リング内で相対論的速度に加速されたリチウム様炭素イオンC3 +の2S1 / 2-2P1 / 2および2S1 / 2-2P3 / 2遷移の波長を正確に測定しました。これを行うために、彼らは紫外線をイオンビームに向け、その後のイオンの蛍光を検出しました。さらに、共鳴に合わせるために、放射波長ではなくビーム速度を変更しました。この作品はScientificReportsに掲載されました。

光速に近い速度に加速されたイオンの分光法は、特定の困難に関連しています。これは主に、古典的な分光法の場合のようにイオンがガスの形で1つの場所にあるのではなく、ストレージリングに沿ってすばやく飛ぶという事実によるものです。もう1つの問題は、波長の最も強いドップラーシフトの出現、およびローレンツ変換から生じる歪みに関連しています。

ただし、別の問題があります。相対論的ビーム(分光学的ビームだけでなく)を使った正確な実験では、十分に冷たくなければなりません。これは、ビーム内のイオン運動量の小さな広がりとして理解されます。現在、ストレージリング内の高速イオンを冷却する最も普及している方法は、「冷たい」電子のビームを「熱い」イオンビームに混合することからなる電子冷却の方法です。これらの目的にはレーザー冷却の方が効率的であると想定されていますが、この方法では、イオンの遷移の正確な波長に関する知識が必要です。同時に、一部のイオン、特にリチウム様炭素イオンC3 +については、文献データに不一致があります。

これらの矛盾を解決し、ダルムシュタットのヘルムホルツ重イオン研究センターに設置された実験用貯蔵リングで放射線の照射と検出のためのシステムをテストするために、DanyalWintersが率いるドイツと中国の物理学者のグループ12C3 +イオンの2S1 / 2-2P1 / 2および2S1 / 2-2P3 / 2遷移の波長を改善するために一連の実験を実施しました。イオンはストレージリング内で光速のほぼ半分の速度に加速され、電子クーラーを使用して冷却されました。リングの別の領域で、イオンは257ナノメートルの波長のレーザー放射と衝突し、再放出された光子はレジストレーションシステムに入りました。

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イオン蛍光が検出される領域が拡大された実験用ストレージリングの概略図。

実験の特徴は、イオン速度の正確な値が電子冷却器に印加される電圧に依存することでした。これにより、イオン重心系のレーザー波長を微調整することが可能になりました。これは、ドップラーシフトにより、ローレンツ因子に従って短波領域にシフトするためです。共振の近くで、著者はクーラーの電圧を1ボルトのステップで変更し、調査中の領域を3回スキャンしました。彼らは、紫外線検出器のカウント数から、吸収の強さとその後の蛍光について結論を出しました。

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左:スキャン時間に対する、検出器のカウント数(青)とクーラーの電圧(赤)の依存性。レジストレーションピークの減衰は、ビーム内のイオン数が時間とともに減少することで説明されます。右:同じですが、検出器からの生データは正規化された蛍光強度に置き換えられます。

したがって、電子クーラーの電圧を変更すると、物理学者はそれを電流を介してイオン速度に接続し、その結果、重心システムの波長に接続しました。その結果、2P1 / 2および2P3 / 2レベルへの遷移の波長は、それぞれ155、0779(12)sys(1)statおよび154、8211(12)sys(2)statナノメートルでした。

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2S1 / 2−2P3 / 2遷移のスペクトル輪郭。近似はフォークト関数によって行われます。

この実験で実行されたあらゆる種類のエラーを考慮に入れるという素晴らしい作業は特に注目に値します。それらを注意深く検討した結果、物理学者は、測定された波長は、干渉法とプラズマ分光法の実験で以前に得られたデータ、および理論的予測とよく一致しているという結論に達しました。彼らはまた、実験のセットアップと追加のキャリブレーションへのいくつかの改善が将来の実験の精度を改善するであろうと述べました。

近年、レーザー分光法は物理実験の精度を大幅に向上させています。陽子とアルファ粒子のサイズを微調整するためにどのように使用されたかについては、すでに説明しました。

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