Dokument: Electron Acceleration by Coherent Laser Pulses in Periodic Structures

Titel:	Electron Acceleration by Coherent Laser Pulses in Periodic Structures
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=38921
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20160816-095040-7
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Luu-Thanh, Phuc [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 12,05 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 12.07.2016 / geändert 12.07.2016
Beitragende:	Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter] Univ.-Prof. Dr. Dr. Müller, Carsten [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Mit der Etablierung von Lithographie und Faserlasern ist das Interesse an der Entwicklung von einem kompakten und wirtschaftlichen Teilchenbeschleuniger in der letzten Jahren angestiegen. In dieser Arbeit schlagen wir eine Teilchenbeschleunigung in periodischen Strukturen vor. Da der Beschleunigungsmechanismus auf der direkten Wechselwirkung zwischen den Teilchen und dem Laser basiert, wird dieser Prozess auch als direkte Laserbeschleunigung bezeichnet, im Gegensatz zu der Plasmabeschleunigung. Die Struktur besteht aus vielen rechteckigen Blöcken (sogenannten Schilden) mit zylindrischen Bohrungen in der Mitte. Die Blöcke sind durch eine halbe Laserwellenlänge voneinander getrennt, so dass es Raum für die longitudinale Komponente des elektrischen Feldes gibt, um Partikel zu beschleunigen. Die Untersuchung wird durch Simulationen mit dem Virtual Laser-Plasma Laboratory (VLPL) Code fertiggestellt. Die Partikel werden in dem Aufbau injiziert und fahren durch ein Dutzend Perioden der Siliziumstruktur. Der Beschleuningungsgradient wird zu ca. 136 GeV/m berechnet. Des Weiteren untersuchen wir die Wirkung der Ionisation auf die Stabilität des Systems. Aufgrund ihrer höheren elektrischen Durchschlagschwelle sind schwerere dielektrische Materialen für das Schema wünschenwert. Jedoch führt die Ionisation warscheinlich zu einem Überfluss von Elektronen in der Simulationsdomain, was die Rechengeschwindigkeit verringern kann. So berichten wir in dieser Arbeit auch von der Entwicklung des verschmelzenden Voronoi Partikel Algorithmus als integralem Bestandteil des VLPL Codes. Das Kernkonzept benutzt den Voronoi Tessellation, um ähnliche Partikel im Phasenraum zu gruppieren. Auf diese Weise wird das Wachstum der Partikel in der Simulationsbox unter Kontrolle gehalten, während die physikalische Beschreibung des Systems nicht stark verzerrt wird. Der Algorithmus kann die Rechenleistung verbessern und ist betriebsbereit für Simulationen, bei denen die Anzahl der Partikel exponentiell wächst. With the coming-of-age of the lithography and fibre laser technologies, the interest of developing a compact and economic particle accelerator has increased in recent years. In this thesis, we propose a particle acceleration in periodic structures. Since the acceleration mechanism is based on the direct interaction between particles and lasers, it is also referred as direct laser acceleration, in contrast with the plasma acceleration. The structure consists of many rectangular blocks (called shields) with cylindrical holes at the centre. The blocks are separated by half laser wavelength from each other such that there is a gap for the longitudinal electric field component to accelerate particles. The proposed scheme is ready to be integrated into a scalable multi-stage electron acceleration. The investigation is done by performing simulations with the Virtual Laser Plasma Laboratory (VLPL) code. The particles will be inject into the scheme and pass through dozen periods of the silicon structure. The acceleration gradient is calculated to be approximately 136 GeV/m. We also study the effect of the ionisation on the stability of the scheme. Due to their high electrical breakdown, heavier dielectric materials are desirable for the scheme. However, the ionisation process likely leads to the abundance of electrons in the simulation domain, which can lessen the computation speed. Thus, we also report in this thesis the development of the Voronoi particle merging algorithm as an integral part of the VLPL code. The core concept is using the Voronoi tessellation to group similar particles in the phase space. In this manner, the growth of particles in the simulation box is put under control while the physical description of the system is not strongly distorted. The algorithm can enhance the computation performance and is serviceable for simulations where the number of particles grows exponentially.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	16.08.2016
Dateien geändert am:	16.08.2016
Promotionsantrag am:	09.05.2016
Datum der Promotion:	20.06.2016