Luận án Tiến sĩ về tương tác laser cường độ cao với plasma - Joel Magnusson, Đại học Chalmers

Nghiên cứu chuyên sâu về tương tác laser cường độ cao với plasma trong vật lý hiện đại. Phân tích cơ chế và ứng dụng trong khoa học tiên tiến.

Trường ĐH

Chalmers University of Technology

Chuyên ngành
Physics
Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

102

Thời gian đọc

16 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
1. Tương tác Laser-Plasma Cường độ Cao: Tổng quan
Số trang:
102 trang
Trường:
Chalmers University of Technology
Chuyên ngành:
Physics
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I. Tương tác Laser Plasma Cường độ Cao Tổng quan

Nghiên cứu tương tác laser-plasma cường độ cao là một lĩnh vực vật lý đang phát triển nhanh chóng. Khi trường laser cực mạnh tương tác với vật chất, mục tiêu nhanh chóng bị ion hóa hoàn toàn, tạo ra plasma. Plasma có khả năng duy trì gradient gia tốc hạt lớn hơn nhiều lần so với các máy gia tốc thông thường. Điều này tạo ra sự quan tâm to lớn đến các nguồn hạt và bức xạ dựa trên laser-plasma, với các ứng dụng tiềm năng trong khoa học vật liệu, sinh học và y học. Luận án này cung cấp cái nhìn sâu sắc về hai chủ đề chính trong lĩnh vực này: gia tốc ion và phát xạ photon năng lượng cao, bao gồm cả sản xuất cặp electron-positron. Việc khám phá các cơ chế vật lý cơ bản và đánh giá tính khả thi của các sơ đồ mới là trọng tâm chính của nghiên cứu này. Kết quả nghiên cứu thúc đẩy sự hiểu biết về các hiện tượng vật lý ở trường cực mạnh và mở đường cho các công nghệ tiên tiến.

1.1. Bối cảnh và Tầm quan trọng của nghiên cứu

Khi trường laser cường độ cực cao tương tác với vật chất, mục tiêu nhanh chóng bị ion hóa hoàn toàn. Quá trình này tạo ra một trạng thái vật chất mới gọi là plasma. Plasma có khả năng duy trì gradient gia tốc hạt lớn hơn nhiều lần so với các máy gia tốc hạt thông thường. Khả năng đột phá này đã tạo ra một sự quan tâm to lớn trong việc phát triển các nguồn hạt và bức xạ mới. Những nguồn này được điều khiển bằng laser và dựa trên nguyên lý tương tác với plasma. Những công nghệ này mang lại tiềm năng ứng dụng rộng rãi, từ khoa học cơ bản đến các lĩnh vực thực tiễn. Nghiên cứu tập trung vào việc làm sáng tỏ các cơ chế vật lý cơ bản đằng sau những tương tác phức tạp này. Sự hiểu biết sâu sắc về tương tác laser-plasma cường độ cao là rất quan trọng. Nó mở ra cánh cửa cho việc phát triển các công nghệ tiên tiến trong nhiều lĩnh vực.

1.2. Mục tiêu chính của luận án

Luận án này theo đuổi hai chủ đề nghiên cứu riêng biệt nhưng có mối liên hệ chặt chẽ. Phần đầu tiên của luận án khám phá các kỹ thuật gia tốc ion dựa trên plasma. Phần thứ hai tập trung vào phát xạ photon năng lượng cao và sản xuất cặp electron-positron. Các mục tiêu cụ thể bao gồm nghiên cứu sâu về gia tốc ion thông qua tương tác laser cường độ cao với mục tiêu rắn. Một mục tiêu khác là phân tích các hiện tượng lượng tử trong tương tác laser-vật chất cường độ cao. Đánh giá các cơ chế vật lý cơ bản là trọng tâm chính của nghiên cứu. Hiểu rõ sự phân bố electron nóng và hiệu ứng phản ứng bức xạ là cần thiết. Khám phá các sơ đồ gia tốc ion mới, cùng với việc đánh giá tính khả thi và giới hạn của chúng, là một phần quan trọng. Luận án cũng nhằm mục đích xác định các chế độ nghiên cứu mới mà các cơ sở laser sắp tới có thể đạt được. Điều này thúc đẩy ranh giới của vật lý laser-plasma hiện đại.

II. Gia tốc Ion bằng Laser Plasma Kỹ thuật và Nghiên cứu

Phần đầu của luận án tập trung vào các kỹ thuật gia tốc ion dựa trên plasma. Gia tốc ion là một lĩnh vực quan trọng với mục tiêu tạo ra các chùm ion năng lượng cao. Nghiên cứu xem xét cơ chế gia tốc phổ biến nhất, đó là thông qua các electron nóng được tạo ra khi laser tương tác với mục tiêu rắn. Một phần quan trọng khác là việc khám phá ảnh hưởng của cấu trúc vi mô trên bề mặt mục tiêu đối với sự phân bố electron nóng và hiệu suất gia tốc ion. Việc tìm kiếm các phương pháp để kiểm soát tốt hơn quá trình gia tốc ion là một động lực chính. Các phát hiện cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách tối ưu hóa việc tạo ra và định hướng các chùm ion để sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, từ khoa học cơ bản đến y học.

2.1. Cơ chế gia tốc ion bằng electron nóng

Gia tốc ion là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong tương tác laser-plasma, với mục tiêu là gia tốc các ion đến năng lượng cao. Sơ đồ gia tốc ion dễ tiếp cận nhất liên quan đến việc hình thành các electron nóng, hay còn gọi là electron siêu nhiệt. Khi laser cường độ cao chiếu vào mục tiêu rắn, bề mặt mục tiêu bị nóng lên nhanh chóng. Quá trình này tạo ra một quần thể electron năng lượng cao, đóng vai trò trung gian trong quá trình gia tốc ion. Các electron nóng này tạo ra trường tĩnh điện mạnh. Trường này đẩy các ion ra khỏi bề mặt plasma với tốc độ cao. Hiểu rõ sự phân bố không gian và động lực học của các electron nóng là cần thiết để tối ưu hóa quá trình gia tốc. Nghiên cứu sâu về cách các electron nóng được tạo ra và cách chúng tương tác với ion plasma giúp cải thiện hiệu quả gia tốc.

2.2. Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô lên gia tốc ion

Việc bổ sung các cấu trúc vi mô được thiết kế đặc biệt vào bề mặt mục tiêu được xem xét. Các cấu trúc vi mô này có thể thay đổi đáng kể sự phân bố và động lực của electron nóng. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình gia tốc ion. Nghiên cứu khảo sát cách các cấu trúc vi mô ảnh hưởng đến sự tạo ra electron nóng và sự định hướng của chúng. Những thay đổi này có thể dẫn đến việc kiểm soát tốt hơn các tham số gia tốc. Các cấu trúc bề mặt được thiết kế tối ưu có thể tăng cường hiệu suất hoặc điều chỉnh quá trình gia tốc ion theo ý muốn. Việc tối ưu hóa hình dạng và kích thước của các cấu trúc vi mô là một mục tiêu quan trọng. Các kết quả thảo luận về tác động của cấu trúc vi mô đối với các tham số gia tốc, bao gồm năng lượng ion thu được và chất lượng chùm ion. Phát hiện này mở ra con đường cho việc thiết kế mục tiêu tiên tiến trong tương lai.

III. Sóng Đứng Điều Biến Tần Số Gia tốc Ion có kiểm soát

Một sơ đồ gia tốc ion mới đầy hứa hẹn được khám phá trong luận án này là gia tốc sóng đứng điều biến tần số (CSWA). Mục tiêu của phương pháp này là đạt được gia tốc ion với khả năng kiểm soát cao, điều mà các phương pháp truyền thống còn hạn chế. Nghiên cứu phân tích tính bền vững của CSWA trong các điều kiện không lý tưởng, đánh giá khả năng hoạt động hiệu quả của nó trong môi trường thực tế. Việc đánh giá kỹ lưỡng các tiềm năng và giới hạn của sơ đồ này là rất quan trọng để xác định tính khả thi cho các ứng dụng thực tế. Kết quả cung cấp cái nhìn toàn diện về ưu điểm và nhược điểm của CSWA, đồng thời đề xuất các hướng cải tiến để phát triển công nghệ gia tốc ion trong tương lai.

3.1. Sơ đồ gia tốc ion mới bằng sóng đứng

Một sơ đồ gia tốc ion mới đã được nghiên cứu nhằm đạt được gia tốc ion có thể kiểm soát được. Sơ đồ này sử dụng một sóng đứng điều biến tần số, được đặt tên là gia tốc sóng đứng điều biến tần số (CSWA). Sóng đứng được tạo ra từ sự giao thoa của hai chùm laser mạnh mẽ. Việc điều biến tần số cho phép kiểm soát chính xác động lực của cả electron và ion trong plasma. Kỹ thuật CSWA cung cấp một phương pháp mới mẻ và tiên tiến để điều khiển quá trình gia tốc hạt. Mục tiêu chính của CSWA là cung cấp gia tốc ion hiệu quả cao, đồng thời duy trì khả năng kiểm soát tuyệt đối. Điều này là đặc biệt quan trọng cho các ứng dụng thực tế đòi hỏi chùm ion chất lượng cao. Sơ đồ này khác biệt đáng kể so với các phương pháp gia tốc ion truyền thống, chủ yếu khai thác các tương tác cộng hưởng với trường laser.

3.2. Đánh giá tính bền vững và giới hạn của CSWA

Tính bền vững và hiệu suất của sơ đồ CSWA đã được phân tích kỹ lưỡng. Phân tích này diễn ra trong các điều kiện không lý tưởng, mô phỏng môi trường thực tế. Các yếu tố như sự không đồng nhất của plasma, nhiễu laser, và các bất ổn định khác được xem xét. Độ bền của CSWA trước các nhiễu loạn là yếu tố then chốt. Nó sẽ quyết định tính khả thi và độ tin cậy của sơ đồ này trong các ứng dụng thực tế. Các nghiên cứu đã đánh giá một cách toàn diện cách các điều kiện không lý tưởng ảnh hưởng đến hiệu suất và ổn định của CSWA. Tiềm năng và giới hạn của CSWA cũng được thảo luận chi tiết. Điều này bao gồm khả năng đạt được năng lượng ion cao, duy trì chất lượng chùm ion tốt, và khả năng mở rộng. Phát hiện này cung cấp hướng dẫn có giá trị cho việc phát triển và triển khai CSWA trong tương lai. Nghiên cứu cũng đề xuất các cải tiến để vượt qua các thách thức hiện tại.

IV. Phát xạ Photon Năng lượng Cao Phản ứng Bức xạ lượng tử

Phần thứ hai của luận án chuyển sang một chế độ tương tác laser-vật chất khác, nơi phát xạ photon năng lượng cao chiếm ưu thế. Trong chế độ này, cần có một mô tả cơ học lượng tử về phản ứng bức xạ, điều này vượt ra ngoài phạm vi của vật lý cổ điển. Nghiên cứu khám phá tiềm năng của việc sử dụng tương tác chùm electron năng lượng cao với trường laser tập trung tối ưu để tạo ra nguồn photon Multi-GeV. Phản ứng bức xạ đóng một vai trò quan trọng trong việc định hình các tương tác này, và việc hiểu nó là cần thiết để tối ưu hóa việc tạo ra photon năng lượng cao. Nghiên cứu này mở ra một con đường mới để tạo ra các nguồn bức xạ tiên tiến cho vật lý thực nghiệm và các ứng dụng khác.

4.1. Chế độ tương tác laser vật chất lượng tử

Phần thứ hai của luận án tập trung vào một chế độ tương tác laser-vật chất đặc biệt. Trong chế độ này, phát xạ photon năng lượng cao diễn ra mạnh mẽ. Hiện tượng này đòi hỏi một mô tả cơ học lượng tử về phản ứng bức xạ. Phản ứng bức xạ đề cập đến lực mà một hạt điện tích trải qua do bức xạ điện từ mà chính hạt đó phát ra. Ở cường độ laser cực cao, hiệu ứng này trở nên đáng kể và không thể bỏ qua. Việc mô tả chính xác các hiện tượng này đòi hỏi việc sử dụng Điện động lực học lượng tử (QED). Các mô phỏng QED-PIC tiên tiến đã được sử dụng để khám phá chế độ này một cách chi tiết. Chế độ lượng tử này cho phép sản xuất dồi dào các cặp electron-positron. Điều này mở ra một lĩnh vực nghiên cứu vật lý mới và hấp dẫn.

4.2. Nguồn photon Multi GeV từ chùm electron năng lượng cao

Nghiên cứu đã khám phá tương tác của một chùm electron năng lượng cao. Chùm electron này tương tác với trường laser được tập trung tối ưu, dưới dạng sóng lưỡng cực. Hệ thống tương tác này được nhấn mạnh như một nguồn photon Multi-GeV tiềm năng. Khả năng của nó trong việc tạo ra các photon năng lượng cực cao là đáng chú ý. Việc tạo ra photon có thể đạt được hiệu suất cao thông qua tối ưu hóa các điều kiện tương tác. Các điều kiện tối ưu để sản xuất photon đã được xác định rõ ràng. Điều này rất quan trọng cho các ứng dụng thực nghiệm trong vật lý hạt và khoa học vật liệu. Sóng lưỡng cực laser cung cấp một môi trường tương tác hiệu quả cao. Nó cho phép truyền năng lượng tối ưu từ electron sang photon. Nghiên cứu này mở ra tiềm năng to lớn cho việc thiết kế các máy gia tốc hạt và nguồn photon thế hệ mới.

V. Sản xuất Cặp Electron Positron Thác tương tác trong Plasma

Một hiện tượng quan trọng khác được điều tra là sự xuất hiện của thác sản xuất cặp electron-positron. Trong chế độ cường độ cao, các photon năng lượng cao và trường laser mạnh có thể tương tác để tạo ra các cặp electron-positron mới, sau đó lại bức xạ photon, tạo thành một chuỗi phản ứng. Nghiên cứu này xem xét kỹ lưỡng động lực học của các thác sản xuất cặp, cung cấp một cái nhìn tổng quan về các kết quả trước đây và mở rộng sự hiểu biết về chúng. Luận án cũng chỉ ra các chế độ nghiên cứu mới có thể thực hiện được với các cơ sở laser thế hệ tiếp theo. Điều này thúc đẩy ranh giới của vật lý cường độ trường cao, với tiềm năng khám phá các hiện tượng QED chưa từng thấy và mô phỏng các điều kiện vật lý thiên văn trong phòng thí nghiệm.

5.1. Sự xuất hiện của thác sản xuất cặp

Các hiện tượng quan sát được trong cấu hình tương tác đã được điều tra kỹ lưỡng. Đặc biệt, sự xuất hiện của thác sản xuất cặp electron-positron là trọng tâm nghiên cứu. Thác sản xuất cặp là một quá trình tự duy trì. Trong đó, các photon năng lượng cao được tạo ra tương tác với trường laser mạnh. Điều này dẫn đến sự sản sinh các cặp electron-positron mới. Các hạt mới này lại tiếp tục bức xạ photon, lặp lại chu trình. Quá trình này dẫn đến sự gia tăng theo cấp số nhân số lượng hạt trong plasma. Hiểu biết sâu sắc về động lực học phức tạp của thác này là rất quan trọng. Điều này giúp kiểm soát và ứng dụng chúng trong các điều kiện phòng thí nghiệm. Nghiên cứu cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về các kết quả trước đây. Nó củng cố sự hiểu biết về cơ chế sản xuất cặp trong trường cực mạnh.

5.2. Các chế độ mới với cơ sở laser trong tương lai

Luận án cũng nêu bật một số chế độ vật lý mới và thú vị. Những chế độ này nằm trong tầm với của các cơ sở laser sắp tới. Các cơ sở này có cường độ và công suất cao hơn nhiều so với hiện tại. Chúng sẽ mở ra cánh cửa cho việc khám phá các điều kiện vật lý chưa từng thấy. Các chế độ này bao gồm tương tác với trường laser cường độ cực đoan chưa từng đạt được trước đây. Điều này có thể dẫn đến các hiện tượng QED hoàn toàn mới và khác biệt. Các cơ sở laser thế hệ mới có thể kiểm tra một cách nghiêm ngặt lý thuyết phản ứng bức xạ. Chúng cũng có thể khám phá các khía cạnh khác của vật lý cường độ trường cao. Điều này bao gồm mô phỏng các hiện tượng vật lý thiên văn trong môi trường phòng thí nghiệm. Nghiên cứu này dự đoán các khả năng mới. Nó cung cấp một lộ trình rõ ràng cho các nghiên cứu trong tương lai. Điều này thúc đẩy sự phát triển của công nghệ laser và vật lý cơ bản.

VI. Ứng dụng Tiềm năng Nguồn Hạt và Bức xạ tiên tiến

Các nghiên cứu trong luận án này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng cho các nguồn hạt và bức xạ tiên tiến. Khả năng tạo ra các chùm ion và photon năng lượng cao với khả năng kiểm soát tốt có ý nghĩa sâu sắc trong nhiều lĩnh vực. Từ việc cải thiện các phương pháp xạ trị ung thư đến phát triển vật liệu mới và kỹ thuật chụp ảnh tiên tiến, công nghệ laser-plasma hứa hẹn những đột phá lớn. Luận án cũng thảo luận về những thách thức còn tồn tại và hướng phát triển trong tương lai, nhấn mạnh sự cần thiết của nghiên cứu liên ngành và hợp tác quốc tế. Với sự phát triển của các cơ sở laser thế hệ mới, tiềm năng của tương tác laser-plasma cường độ cao sẽ tiếp tục được mở rộng, mang lại lợi ích to lớn cho khoa học và xã hội.

6.1. Ứng dụng trong khoa học vật liệu sinh học và y học

Các nguồn hạt và bức xạ dựa trên tương tác laser-plasma cường độ cao có tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Chúng có thể được sử dụng trong khoa học vật liệu, sinh học và y học. Trong khoa học vật liệu, các nguồn ion năng lượng cao có thể được dùng để biến đổi bề mặt vật liệu. Chúng cũng có thể được ứng dụng để chế tạo các cấu trúc nano phức tạp. Trong sinh học và y học, chùm ion và photon năng lượng cao mang lại tiềm năng lớn. Chúng được ứng dụng trong xạ trị ung thư chính xác và chụp ảnh y tế độ phân giải cao. Khả năng tạo ra các chùm hạt có chất lượng cao và năng lượng điều chỉnh được là rất quan trọng. Điều này mở ra các phương pháp điều trị và chẩn đoán mới, hiệu quả hơn. Công nghệ laser-plasma hứa hẹn mang lại sự chính xác và hiệu quả vượt trội trong các lĩnh vực này.

6.2. Hướng phát triển và thách thức tương lai

Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển quan trọng cho các nguồn laser-driven tiên tiến. Những nguồn này có tiềm năng vượt qua các giới hạn của máy gia tốc truyền thống. Thách thức chính trong tương lai bao gồm việc cải thiện đáng kể hiệu quả gia tốc hạt. Cần nâng cao hơn nữa chất lượng chùm hạt và khả năng điều khiển các tham số chùm một cách chính xác. Điều này đòi hỏi nỗ lực nghiên cứu và phát triển liên tục trong nhiều năm tới. Việc xây dựng và đưa vào hoạt động các cơ sở laser cường độ cao hơn đang được tiến hành. Điều này sẽ cho phép khám phá các chế độ vật lý mới và các ứng dụng thực tế. Nghiên cứu liên ngành là hoàn toàn cần thiết. Nó kết hợp vật lý laser, vật lý plasma và vật lý hạt. Hợp tác chặt chẽ giữa các chuyên ngành sẽ đẩy nhanh sự đổi mới trong lĩnh vực này.

Mục lục chi tiết luận án

Abstract
Publications
Acknowledgements
1. Introduction
1.1. The road to high-intensity lasers
1.2. Laser-plasma based acceleration
2. Introduction to plasma physics
2.1.
3. Laser-plasma interactions
3.1. Single-particle motion in intense fields
3.1.1. Non-relativistic motion in a plane wave
3.1.2. Relativistic motion in a plane wave
3.2. Plasma-based acceleration
4. Chirped-standing-wave acceleration
4.1. Motivating the need for a different scheme
4.2. Modelling the chirped laser pulse
4.3. Chirped standing wave
4.4. Relativistic self-induced transparency
5. Introduction to radiation reaction
5.2. Classical radiation reaction
5.3. Quantum radiation reaction
5.3.1. The Schwinger effect
5.3.2. Nonlinear Compton scattering
5.3.3. Multi-photon Breit-Wheeler
5.3.3.1. The dipole wave
5.3.3.2. The role of pair production
5.3.3.3. The importance of the field shape
5.3.3.4. Pair production cascades
7. Particle-in-cell scheme
7.1. Classical particle-in-cell scheme
7.2. Extended particle-in-cell scheme (QED-PIC)
7.3. Assumptions, validity and omitted physics
Bibliography
Summary of papers
Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Intense laser plasma interactions

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (102 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy Intense laser-plasma interactions Joel Magnusson Department of Physics Chalmers University of Technology Gothenburg, Sweden, 2019 Intense laser-plasma interactions Joel Magnusson ISBN 978-91-7905-198-3 c Joel Magnusson, 2019 Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola Ny serie nr 4665 ISSN 0346-718X Department of Physics Chalmers University of Technology SE–412 96 Gothenburg Sweden Telephone +46 (0)31-772 1000 Cover: Illustration of an electric dipole wave showing the electric (red) and magnetic (blue) field lines. Chalmers Reproservice Gothenburg, Sweden, 2019 Intense laser-plasma interactions JOEL MAGNUSSON Department of Physics Chalmers University of Technology Abstract In the interaction of ultra-intense laser fields with matter, the target is rapidly ionized and a plasma is formed. The ability of a plasma to sus- tain acceleration gradients, orders of magnitude larger than achievable with conventional accelerators, has led to a great interest in laser-driven plasma- based particle and radiation sources, with applications in materials science, biology and medicine. In this thesis, two separate, yet highly related, topics are pursued.

The first half of the thesis concerns plasma-based techniques for ion acceleration, through the interaction of intense laser fields with solid density targets. In the most accessible acceleration scheme, the ion acceleration is mediated by a population of suprathermal, hot, electrons produced by the rapid heating of the target surface. We study the effect of adding microstructures to the target surface, show how this affects the distribution of hot electrons and discuss its implications for ion acceleration. We further study a novel acceleration scheme, aimed at achieving controllable ion acceleration using a frequency chirped standing wave.

We analyse the robustness of this scheme, named chirped-standing-wave acceleration, under non-ideal conditions and discuss its prospects and limitations. The second half of the thesis concerns laser-matter interactions where the emission of high-energy photons necessitates a quantum mechanical de- scription of radiation reaction and enables a prolific production of electron- positron pairs. In this regime, we study the interaction of an energetic elec- tron beam with an optimally focused laser field, in the form of a dipole wave, and highlight its capabilities as a multi-GeV photon source. We further dis- cuss the phenomena observed in this setup, in particular investigating the emergence of pair production cascades, and provide a review of previous results.

Finally, we highlight a number of regimes within reach of upcoming laser facilities. Keywords: laser, plasma, ion acceleration, radiation generation, radiation reaction, pair production cascades, particle-in-cell i ii Publications This thesis is based on the following publications: A J. Marklund, Energy partitioning and electron momentum distributions in intense laser-solid interactions, The European Physical Journal D 71, 231 (2017). Gonoskov, Prospects for laser-driven ion acceleration through controlled displace- ment of electrons by standing waves, Physics of Plasmas 25, 053109 (2018).

Bulanov, Laser-particle collider for multi-GeV photon production, Physical Review Letters 122, 254801 (2019). Bulanov, Multiple-colliding laser pulses as a basis for studying high-field high- energy physics, Accepted for publication in Physical Review A.plasm-ph] iii Statement of contribution Paper A: I developed the numerical diagnostics tools used for tracking the par- titioning of energy between different energy channels. I performed all simulations, analysed the data and produced all figures. I prepared the draft of the entire paper, except for parts of the introduction.

I finalized the text for publication together with the co-authors. Paper B: I developed the idea for the paper together with the co-authors and I performed all simulations. I performed all data analysis and I pro- duced all figures. I derived the estimates for when CSWA performs efficiently, leading up to equation 13, and derived the remaining equa- tions together with co-authors.

I prepared the draft of the entire paper, excluding section 2 and part of the introduction. I finalized the text for publication together with the co-authors. Paper C: I developed the concept for the paper together with co-authors. I performed all QED-PIC simulations and the analysis of the related data.

I produced all figures except figure 2 and derived the motivating estimates together with the co-authors. I prepared a majority of the draft, primarily excluding parts of the introduction and the section containing the motivating estimates. I finalized the text for publication together with the co-authors. Paper D: I developed the concept for the paper together with co-authors.

I performed all simulations and data analysis. I produced figures 2, 3 and 5 together with the co-authors and produced all remaining figures. I wrote a majority of the draft in close collaboration with the co- authors. I finalized the text for publication together with the co- authors.

iv Related publications not included in the thesis E L. Korn, Nano and micro structured targets to modulate the spatial profile of laser driven proton beams., Journal of Instrumentation 12, C03040 (2017) F L.Margarone, Manipulation of laser-accelerated proton beam profiles by nanostruc- tured and microstructured targets, Physical Review Accelerators and Beams 20, 081301 (2017). v vi Acknowledgements I would first and foremost like to express my deepest gratitude towards my supervisors Mattias Marklund and Arkady Gonoskov for all of their support, and for continuing to both inspire and encourage me. I would also like to thank Andreas Isacsson for his guidance, as well as for sharing his wisdom whenever I disturb him in his office.

I am grateful to my many colleagues and especially past and present members of my research group for creating a pleasant and comradely environment, and with whom I have enjoyed a great many crappy movies. I would also like to thank Stuart Mangles for his hospitality during my stay at Imperial, Chris Ridgers and Chris Murphy for their hospitality during my visit to York, and Stepan Bulanov for being ever so easy to collaborate with. A special thanks to Tom Blackburn for being the best imaginable office mate and for putting up with me for almost 4 years, as well as to Benjamin Svedung Wettervik for providing daily distractions from the work at hand and for making sure the office sofa is never alone. Finally I would like to express my gratitude to my family and many friends for their support.

Joel Magnusson, 2019 vii viii Contents Abstract i Publications iii Acknowledgements vii 1 Introduction 1 1.1 The road to high-intensity lasers .2 Laser-plasma based acceleration. 8 2 Introduction to plasma physics 11 2. 16 3 Laser-plasma interactions 19 3.1 Single-particle motion in intense fields .1 Non-relativistic motion in a plane wave .2 Relativistic motion in a plane wave .2 Plasma-based acceleration. 26 4 Chirped-standing-wave acceleration 33 4.1 Motivating the need for a different scheme .2 Modelling the chirped laser pulse .3 Chirped standing wave .4 Relativistic self-induced transparency.

38 ix 5 Introduction to radiation reaction 41 5.2 Classical radiation reaction .3 Quantum radiation reaction .1 The Schwinger effect .2 Nonlinear Compton scattering .3 Multi-photon Breit-Wheeler .1 The dipole wave .2 The role of pair production .1 The importance of the field shape .2 Pair production cascades. 62 7 Particle-in-cell scheme 65 7.1 Classical particle-in-cell scheme .2 Extended particle-in-cell scheme (QED-PIC) .1 Assumptions, validity and omitted physics. 72 Bibliography 75 Summary of papers 89 x Chapter 1 Introduction Physics is arguably one of the oldest of sciences and generally concerns the nature of energy and matter. As a science it has expanded tremendously over the centuries, not least compared to the beginning of the 20th century when the theories of quantum mechanics and general relativity revolutionized the science.

Today, physics covers a very broad range of subjects, making it practically impossible for physicists to be experts within every field. Never- theless, physicists often draw inspiration from a common toolbox, applying it in seemingly wildly different areas. Regardless of the field of application, the essence of physics lies in describing the world as accurately as possi- ble using mathematical models. The purpose of this is not only to be able to explain and reproduce what has been observed in experiments, but also to predict new phenomena.

Given enough predictive power the models we create can then also be used as a guide forward and, for this reason, of- ten serves as a strong motivator in the planning and construction of new research infrastructure. However, not all experiments are easily explained and not all phenomena are easy to model. Most physics research today is therefore supported by numerics, one way or another. Not necessarily because the underlying equa- tions are difficult to write down, but because in order to obtain a verifiable or predictive result, the equations must often be solved under realistic con- ditions.

Some problems require a combination of different models, perhaps only valid in different, yet overlapping, regimes. Some problems contain multiple scales and are highly dependent on effects from all of them. Some have unknown initial conditions and some contain all of the above issues. The difficulty then lies in determining what is essential and what is not, and to keep only what is necessary to obtain a valuable result.

For any given problem, this naturally leads to a hierarchy of different models where generality and scope is often traded for tractability. While useful results are regularly obtained from simpler models, even using analytics alone, some 1 2 CHAPTER 1. INTRODUCTION questions can only be answered using more comprehensive ones, often re- quiring large-scale simulations. In this thesis we generally concern ourselves with the interaction of strong electromagnetic fields with matter.

This subject naturally falls into the cat- egory of plasma physics, which itself is mainly a combination of classical electrodynamics and statistical physics. Depending on the problem state- ment, it can also contain significant elements of quantum mechanics, in particular in relation to atomic and nuclear physics. While the contribu- tion from these two topics will remain largely unexplored, given the field strengths considered in parts of this thesis we will discuss effects due to quantum electrodynamics. As may already have become apparent, the topic of this thesis carries many of the issues detailed earlier.

On its own, plasma physics contains a rich set of complex phenomena and is characterized by the collective motion of its constituents. Coupled with the influence of strong electromagnetic fields, hereafter assumed to be generated using a powerful laser, the interac- tion becomes highly nonlinear. Accurate description of the physics therefore require large-scale simulations, not seldom utilizing thousands of processors for several hours, and constitutes the main tool in writing this thesis. This is supported by simplified analytical and numerical models, predominantly based on single-particle dynamics in a given field, in order to gain further insights where applicable.

Even so, the computer models used to simulate the physics are only accurate to a certain extent and important aspects are left out for the benefit of computability. In particular, the process of ioniza- tion is commonly omitted and the initial stages of the interaction is often replaced by an experienced guess on the density and ionization level of the plasma. This is not due to laziness, but reflects our lack of knowledge in key features of the experiments, on which a more accurate description de- pends. It is a consequence of the initial plasma formation occurring over a much larger time scale, and at a much lower intensity, than suggested by the parameters of the main pulse.

Getting back to the subject of this thesis, it more specifically concerns the science of laser-based particle and light sources and is centred around two related topics (i) acceleration of protons through laser-solid interaction and (ii) generation of high-energy photons through laser-beam interaction. Central to both of these topics is the transfer of energy to the particles of interest, which can be either transferred from the field itself or simply me- diated by it, while simultaneously considering other source properties, such as particle numbers and collimation. In relation to this, the thesis covers the basics of laser-plasma and laser-particle interactions, and discusses the principal mechanisms of transferring energy before addressing the papers on which the thesis is based.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Joel Magnusson (2019). Tương tác laser cường độ cao với plasma: Nghiên cứu tiến sĩ [Luận án tiến sĩ, Chalmers University of Technology]. LuanAn.net. https://luanan.net/vat-ly/vat-ly-nguyen-tu-hat-nhan/tuong-tac-laser-cuong-do-cao-voi-plasma-luan-an-tien-si-joel-magnusson

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Tương tác laser cường độ cao với plasma: Nghiên cứu tiến sĩ" nghiên cứu về vấn đề gì?

Nghiên cứu chuyên sâu về tương tác laser cường độ cao với plasma trong vật lý hiện đại. Phân tích cơ chế và ứng dụng trong khoa học tiên tiến.

Luận án "Tương tác laser cường độ cao với plasma: Nghiên cứu tiến sĩ" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Chalmers University of Technology. Năm bảo vệ: 2019.

Luận án "Tương tác laser cường độ cao với plasma: Nghiên cứu tiến sĩ" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Tương tác laser cường độ cao với plasma: Nghiên cứu tiến sĩ" thuộc chuyên ngành Physics. Danh mục: Vật Lý Nguyên Tử Hạt Nhân.

Luận án "Tương tác laser cường độ cao với plasma: Nghiên cứu tiến sĩ" có bao nhiêu trang?

Luận án "Tương tác laser cường độ cao với plasma: Nghiên cứu tiến sĩ" có 102 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Tương tác laser cường độ cao với plasma: Nghiên cứu tiến sĩ" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter