Charged-Ion Ensembles for Precision Spectroscopy iin the ARTEMIS

154 Pages·2017·16.9 MB·English

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Dissertation
submittedtothe
CombinedFacultiesfortheNaturalSciencesandforMathematics
oftheRuperto-CarolaUniversityofHeidelberg,Germany
forthedegreeof
DoctorofNaturalSciences
Putforwardby
MohammadSadeghEbrahimi
BorninTEHRAN,IRAN
Oralexamination: 02.05.2018
Non-DestructiveDetectionandResistiveCooling
ofHighly-Charged-IonEnsembles
forPrecisionSpectroscopyinthe ARTEMISPenningTrap
Referees: Priv.-Doz. Dr. WolfgangQuint
Prof. Dr. MarkusOberthaler
Zersto¨rungsfreier Nachweis und Widerstandsku¨hlung von Ensembles hochgeladener
Ionenfu¨rpra¨zisionsspektroskopischeMessungeninder ARTEMIS-Penningfalle
Zusammenfassung: EinwichtigerAspektbeiPra¨zisionsmessungenineinerPenningfalleist
dieFa¨higkeit,dieeingeschlossenenPartikelaufkryogeneTemperaturenabku¨hlenzuko¨nnen,
umMessunsicherheitenzureduzieren. DieARTEMIS-Penningfalle,diesichinder HiTrap-
Einrichtung an der GSI befindet, wurde entwickelt, um den g Faktor von hochgeladenen
−
Ionen wie etwa 40Ar13+ und 209Bi82+ zu messen. Das vorgesehene Messschema beinhal-
tet die Spektroskopie einer großen Anzahl von gespeicherten Teilchen in Form eines En-
sembles, typischerweise in der Gro¨ßenordnung von 105 Ionen. Diese Arbeit stellt die En-
twicklung und das Upgrade des zersto¨rungsfreien RLC-Detektionssystems von ARTEMIS
vor,dasauchfu¨rdieresistiveIonenku¨hlungverwendetwird. DieFunktionsweiseberuhtauf
einer dissipativen Wechselwirkung der gespeicherten Ionen mit dem effektiven Widerstand
des Detektionssystems. Eine theoretische Behandlung der resistiven Ku¨hlung von einem in
der Erzeugungsfalle produzierten Ion-Ensemble wurde durchgefu¨hrt und mit verschiedenen
Ionen-Ensemblesgetestet.
Non-DestructiveDetectionandResistiveCoolingofHighly-Charged-IonEnsemblesfor
PrecisionSpectroscopyinthe ARTEMISPenningTrap
Abstract: An important aspect of precision measurements in a Penning trap is the ability to
cool the confined particles to cryogenic temperatures, which reduces the measurement un-
certainty. The ARTEMIS Penning trap, located at the HiTrap facility at GSI, is designed to
measuretheg factorofheavytomediumhighlychargedions,suchas40Ar13+ and209Bi82+,
−
using microwave-laser double resonance spectroscopy on a ppb level of accuracy. The fore-
seen measurement scheme involves spectroscopy of a large number of confined particles in
the form of an ensemble, typically of the order of 105 ions. This thesis presents the devel-
opment and upgrades of the non-destructive detection system of ARTEMIS, which is also
used for resistive ion cooling through dissipative interaction with the effective resistance of
thedetectionsystem. Atheoreticaltreatmentofresistivecoolingofanionensemblecreated
inthecreationtrapof ARTEMISwasperformedandtestwithdifferentionensembles.

CONTENTS
1 Introduction 1
2 TheoreticalMotivation,FundamentalsofPenningTrapsand ARTEMIS 5
2.1 TheoreticalMotivationof ARTEMIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 FundamentalsofPenningTraps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 ChargedParticlesinanIdealPenningTrap . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Open-EndcapPenningTrapswithCylindricalElectrodes . . . . . . 12
2.3 ARTEMISanditsTwoTraps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 SpectroscopyTrap(ST),theHalf-openTrap . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2 CreationTrap(CT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 FrequencyShiftsinaPenningTrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.1 FieldMisalignmentandEllipticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.2 RadiallySymmetricFieldImperfections . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.3 SpaceChargeEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 DevelopmentandUpgradesoftheDetectionSystem 23
3.1 Non-destructiveElectronicIonDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 DesignPrinciplesoftheNon-destructiveDetectionSystem . . . . . . . . . 26
3.2.1 DesignPrinciplesoftheResonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.2 HelicalResonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.3 ToroidalResonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.4 InductorTapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.5 Resonatorsat ARTEMIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.6 SuperconductingHelicalAxialResonator . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.7 SuperconductingToroidalAxialResonator . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.8 Normal-conductingAxialResonator . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.9 ModificationoftheCyclotronResonator . . . . . . . . . . . . . . . 36
v
vi CONTENTS
3.3 SuperconductingResonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.1 SuperconductingResonatorBehaviorinMagneticFields . . . . . . 41
3.3.2 Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Varactor-DiodeBoard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5 CryogenicAmplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.6 OpticalandLaserDetectionSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.7 ITOFaradaycup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4 TechnicalRemarksonthe ARTEMISExperiment 59
4.1 GSIHelmholtzzentrumfu¨rSchwerionenforschung . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 PrerequisiteExperimentalEnvironment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.1 MagneticField,7T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.2 VacuumSystemat ARTEMIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.3 CryogenicEnvironment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 Electronics(FilterBoards) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4 The65GHzMicrowaveSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5 GasInjectionSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 IonCoolingat ARTEMIS 73
5.1 TheConceptofStoredIon(s)Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.1 ElectronicNoiseTemperatureMeasurement . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.2 SpectralWidthoftheAxialFrequencyasaMeasureofTemperature 75
5.2 IonCoolinginPenningTraps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.1 BufferGasCooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.2 EvaporativeCooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.3 ResistiveCoolingofIonClouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.3.1 ResistiveCoolingofaSingleParticle . . . . . . . . . . . 78
5.2.3.2 ExtensiontoIonEnsembles . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.3.3 EnergyTransferModelforResistiveCooling . . . . . . . 80
5.2.3.4 Effective Electrode Distance Calculation for the Creation
Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.3.5 SpectralOverlapbetweenRLC-CircuitandParticleOscil-
lation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.3.6 SpectralEvolutionofResistiveCoolingoftheAxialMotion 85
5.2.4 SympatheticCooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6 StudiesofIonEnsemblePreparationandIonCloudResistiveCooling 89
6.1 MassSpectraRead-out . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
CONTENTS vii
6.2 Highly-Charged-IonCreationintheCreationTrap . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3 ChargeStateSelectionwithSWIFTTechnique . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.4 TransporttoSpectroscopyTrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.5 ResidualGasPressureEstimationat ARTEMIS . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.6 TheNine-daysIonStorageMeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.7 StudyofResistiveCoolingofLargeIonEnsembles . . . . . . . . . . . . . 102
6.7.1 DemonstrationofTemperatureEquilibrium . . . . . . . . . . . . . 104
6.7.2 ElectronicNoiseTemperatureEstimationat ARTEMIS . . . . . . . 104
6.7.3 ResistiveCoolingofIonCloudafterCreation . . . . . . . . . . . . 107
6.7.4 SingleSpeciesEnsemble—Ar13+—ResistiveCooling . . . . . . . 110
6.7.5 ConsecutiveResistiveIonCoolingofanEnsemble . . . . . . . . . 112
7 ConclusionandOutlook 117
A ARTEMISWiringDiagrams 119
B LaserDopplerCooling 123
ListofFigures 125
ListofTables 129
Bibliography 131
viii CONTENTS