Dokument: Computational physics of relativistic laser-matter interaction.

Titel:	Computational physics of relativistic laser-matter interaction.
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3127
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20050621-001127-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Kisselev, Serguei [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,72 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter] Prof. Dr. Willi, Oswald [Gutachter]
Stichwörter:	Laser, Plasma, relativistisch, Röntgenstrahlen, Weibel Instabilität, Alfven Strom, Synchrotron, Elektronenbeschleunigung, Ionenkanal, bubblelaser, plasma, relativistic, X-ray, Weibel instability, Alfven current, Synchrotron, electron acceleration, ion-channel, bubble
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Das Ziel dieser Arbeit ist die numerische Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Laser und Materie bei relativistischen Intensitäten. Die Physik vom relativistischen Laserplasma ist hoch nichtlinear und kann ohne Computersimulationen nicht verstanden werden. Die Entwicklung neuer numerischen Methoden für effektives paralleles Rechnen ist demnach von großer Bedeutung. Unter den neuen physikalischen Effekten, die zu beschreiben sind, gehören die relativistische Selbstfokussierung intensiver Laserstrahlen in Plasma, die Beschleunigung geladener Teilchen zu Energien von mehreren MeV und GeV, Selbstgeneration starker quasistatischer magnetischer und elektrischer Felder, Konvertierung der Laserenergie in hohen Harmonischen. Diese Effekte sind kinetisch und multidimensional, und verlangen daher eine multidimensionale kinetische Behandlung. Diese Dissertation beinhaltet drei große Hauptthemen. Das sind I. Elektronbeschleunigung im "Bubble"-Regime II. Betatronstrahlung III. Elektronenstrahlfilamentierung. Die Idee des ersten Thema wurde vor kurzem von A. Pukhov und J. Meyer-ter-Vehn in Appl. Phys. B 74, 355 (2002) vorgeschlagen. Sie zeigten, dass im stark nichtlinearen Regime, die Plasmawelle in einen "Bubble" übergeht, der fast frei von Hintergrundelektronen ist. Die dreidimensionalen „particle-in-cell“ (3D PIC) Simulationen sind ein nützliches Werkzeug für die Bestätigung dieser Idee und die Untersuchung der "Bubble"-Phänomene. Im ersten Teil der Dissertation haben wir das Elektroneinfang und die Beschleunigung im "Bubble"-Regime der Laserplasmawechselwirkung studiert. Wegen der sehr komplizierten Natur der ultrarelativistischen Laserplasmawechselwirkungen ist unsere Analyse phänomenologisch. Der zweite Teil demonstriert, dass eine stark nichtlineare Plasmawelle, die durch einen Laser mit ultrastarker Intensität angeregt wird, als eine Kompaktquelle für Röntgenstrahlung dienen kann. Die Simulationen zeigten, dass ein dichtes Bündel relativistischer Elektronen im Inneren des "Bubble" erzeugt wird. Diese beschleunigten Elektronen oszillieren in den Querfeldern des "Bubble" und produzieren eine helle Breitbandröntgenstrahlung mit einem Maximum bei ungefähr 50 keV. Die Emission erfolgt in einem kleinen Raumwinkel von ungefähr 0.1 rad. Simulationen der Röntgenstrahlerzeugung durch ein in den „Bubble“ injiziertes externes Elektronbündel mit 28.5GeV Energie wurden durchgeführt. Gamma - Quanten mit bis zur GeV Energie wurden beobachtet, in guter Übereinstimmung mit analytischen Ergebnissen. Der dritte Gegenstand dieser Dissertation ist das Studium der Ausbreitung und der Filamentierung eines intensiven Elektronenstrahls in dichten Plasmen. Es wird beobachtet, dass der MeV-Elektronenstrahl stark filamentiert wird und die einzelnen Filamenten sich in einer Ringstruktur ordnen. Dieses Verhalten wurde numerisch modelliert mit Hilfe von 3D-PIC Simulationen der Laserplasmawechselwirkung sowie des Transports des Elektronenstrahls durch das vorionisierte Plasma. In den Simulationen werden Filamenten erzeugt und als Folge der Weibel Instabilität gedeutet. Die Simulation ist in guter Übereinstimmung mit dem Experiment. The aim of the work is the numerical study of laser-matter interaction at relativistic intensities. The physics of relativistic laser-plasma is highly non-linear and cannot be understood without large-scale computer simulations. The development of new numerical methods for effective massively parallel processing is of extreme importance here. The new physical effects that need to be described include relativistic self-focussing of intense laser beams in plasma, acceleration of charged particles to multi-MeV and GeV energies, self-generation of strong quasi-static magnetic and electric fields, conversion of the laser energy into high harmonics. These effects are kinetic and multi-dimensional, and require multi-dimensional kinetic treatment. The structure of the thesis is threefold. Its main topics are I Electron acceleration in the “bubble” regime II Betatron radiation III Electron beam filamentation. The idea of the first topic was recently suggested by A. Pukhov and J. Meyer-ter-Vehn, Appl. Phys. B 74, 355 (2002). They show that in the strongly nonlinear regime the plasma wave transforms to a “bubble”, which is almost free from background electrons. The three-dimensional particle-in-cell simulations are a useful tool for studying these phenomena. In the first part of the thesis we have studied the electron trapping and acceleration in the “bubble” regime of laser-plasma interaction. Because of the very complex nature of the ultra-relativistic laser-plasma interactions, our analysis was a phenomenological one. The second part shows that a strongly nonlinear plasma wave excited by an ultrahigh intensity laser pulse works as a compact source of X-ray radiation. According to the simulations, a dense bunch of relativistic electrons is produced inside the “bubble”. These accelerated electrons oscillate in the transverse fields of the “bubble” and emit a bright broadband X-ray radiation with a maximum about 50 keV . The emission is confined to a small angle of about 0.1 rad. Simulations of X-ray generation by an external 28.5GeV electron bunch injected into the “bubble” have been done. Gamma-quanta with up to GeV energies are observed in the simulation in a good agreement with analytical results. The third concern of the thesis is the study of propagation and filamentation of an intense electron beam through dense plasmas. It is observed that the MeV-electron beam undergoes strong filamentation and the filaments organize themselves in a ring like structure. This behavior has been modeled using 3D PIC simulations of the laser-plasma interaction. In the simulations, filamentary structures are produced and attributed to the Weibel instability. The simulation is in a good agreement with an experiment.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	21.06.2005
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	20.06.2005
Datum der Promotion:	20.06.2005