Dokument: Optimierung und Anwendung der Beschleunigung von Elektronen in relativistischen Laser-Plasmen

Titel:	Optimierung und Anwendung der Beschleunigung von Elektronen in relativistischen Laser-Plasmen
Weiterer Titel:	Optimization and Application of Electron Acceleration in Relativistic Laser Plasmas
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=26282
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20130716-112520-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Königstein, Thomas [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 18,23 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 16.07.2013 / geändert 16.07.2013
Beitragende:	Prof. Dr. Pretzler, Georg [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter]
Stichwörter:	Laser Plasma Elektronenbeschleunigung LWFA PWFA
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Diese Dissertation beschäftigt sich mit Experimenten und Simulationen zu der Beschleunigung von Elektronen auf relativistische Energien (bis $\gamma_e\approx 10^3$) durch Strukturen in Plasmen, welche durch ultrakurze Laserpulse (Pulsdauer $\unit[<10^{-14}]{s}$) erzeugt werden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Experimente in einem Parameterraum diskutiert, in dem quasi-monoenergetische Elektronenpakete aus unterkritischen (gasförmigen) Plasmen erzeugt und mit analytischen Skalierungen verglichen werden. Prognostiziert wurde dieses Regime 2002 von Pukhov und Meyer-ter-Vehn in \cite{Pukhov2002} und experimentell erstmals demonstriert in 2004 \cite{Mangles2004}. Ein Hauptaugenmerk bei der Generierung der Elektronenpakete liegt in dieser Arbeit auf der Optimierung der Stabilität der Energie und der Strahlrichtung der Elektronen. Im zweiten Teil beschäftigt sich diese Arbeit mit Elektronen, die durch Laser-Plasma-Wechselwirkung an Festkörpersubstraten entlang der Oberfläche beschleunigt werden. Die Messungen zeigen im Vergleich mit bestehenden analytischen Skalierungen und hierfür durchgeführten numerischen Simulationen gute Übereinstimmung. Im dritten Teil werden zwei neue Konzepte zur mehrstufigen Beschleunigung präsentiert und durch analytische Betrachtungen und numerische Simulationen parametrisiert. Die erste Methode verwendet Elektronenpaare, deren Erzeugung im ersten Teil demonstriert wurde, um eine Plasmawelle anzuregen und um aus ihr Energie zu extrahieren. Die zweite Methode verwendet einen Laserpuls geringer Intensität, um Elektronen aus einem neutralen Gas in die beschleunigende Phase einer Plasmawelle zu injizieren. Im letzten Kapitel wird eine erste Anwendung, die in Zusammenarbeit mit der \textsc{ESA} entwickelt worden ist, vorgeschlagen und demonstriert. Die Verwendung von Elektronenstrahlen mit exponentieller Energieverteilung, wie aus dem zweiten Teil der Arbeit, bietet das Potential, die Resistenz von elektronischen Komponenten gegen in der Raumfahrt auftretende Strahlenbelastung zu testen. This thesis describes experiments and simulations of the acceleration of electrons to relativistic energies (toward $\gamma_e\approx 10^3$) by structures in plasmas which are generated by ultrashort (pulse length $\unit[<10^{-14}]{s}$) laser pulses. The first part of this work discusses experiments in a parameter space where quasimonoenergetic electron bunches are generated in subcritical (gaseous) plasmas and compares them to analytical scalings. This regime was predicted in 2002 by Pukhov and Meyer-ter-Vehn in \cite{Pukhov2002} and experimentally demonstrated for the first time in 2004 \cite{Mangles2004}. A primary concern in this work is to optimize the stability of the energy and the pointing of the electrons. The second part deals with acceleration of electrons along the surface of solid substrates by laser-plasma interaction. The measurements show good agreement with existing analytical scalings and dedicated numerical simulations. In the third part, two new concepts for multi-stage acceleration will be presented and parameterised by analytical considerations and numerical simulations. The first method uses electron pairs, as produced in the first part, to transfer energy from the first bunch to the second by means of a plasma wave. The second method utilizes a low intensity laser pulse in order to inject electrons from a neutral gas into the accelerating phase of a plasma wave. The final chapter proposes and demonstrates a first application that has been developed in collaboration with \textsc{ESA}. The use of electron beams with exponential energy distribution, as in the second part of this work, offers the potential to investigate the resistance of electronic components against space radiation exposure.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	16.07.2013
Dateien geändert am:	16.07.2013
Promotionsantrag am:	07.06.2013
Datum der Promotion:	12.07.2013