Acceleration of electrons to relativistic velocities using an ultra-intense laser

Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη, μελέτη και βελτιστοποίηση ενός επιταχυντή σχετικιστικών ηλεκτρονίων, που δημιουργείται κατά την αλληλεπίδραση υπέρ-ισχυρών παλμών laser με αέριους στόχους. Το εξαιρετικά ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο τέτοιων παλμών laser που ξεπερνά την κλίμακα των TV/m, μετατρέπει το αέριο μέσο σε πλάσμα, δημιουργώντας παράλληλα κύματα με μορφή φυσαλίδας τα οποία ακολουθούν τον παλμό του laser. Το πλάτος του ηλεκτρικού πεδίου εντός των φυσαλίδων πλάσματος είναι της τάξεως των GV/m. Ηλεκτρόνια από το πλάσμα παγιδεύονται εντός αυτών των φυσαλίδων πλάσματος και επιταχύνονται, όπως ακριβώς ένας σέρφερ από ένα θαλάσσιο κύμα, σε σχετικιστικές ταχύτητες. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται laser wakefield acceleration και λαμβάνει χώρα σε μια απόσταση μόλις μερικών χιλιοστών. Στα πειράματα που παρουσιάζονται εντός αυτής της διατριβής η τυπική ενέργεια των επιταχυνόμενων σχετικιστικών ηλεκτρονίων είναι της τάξεως των 100 MeV. Η βελτιστοποίηση του επιταχυντή των σχετικιστικών ηλεκτρονίων υλοποιήθηκε για μια πληθώρα πειραματικών παραμέτρων όπως είναι η χρονική κατανομή της ενέργειας του παλμού του laser (αντίθεση) και το γεωμετρικό προφίλ του αέριου στόχου. Η βασική όμως παράμετρος που μελετήθηκε ήταν η μεταβολή της διαμόρφωσης των συχνοτήτων του παλμού του laser στο χρόνο, γνωστό και ως chirp. Χρησιμοποιώντας παλμούς laser με θετικό chirp και αέριους στόχους He, επιτεύχθηκε έλεγχος της μέγιστης κινητικής ενέργειας των ηλεκτρονίων σε τιμές έως και 60% παραπάνω σε σχέση με την αντίστοιχη για τους παλμούς laser μηδενικού chirp, γνωστοί και ως Fourier-transformed-limited. Μέσω της υλοποίησης προσομοιώσεων τύπου particle-in-cell αποδείχθηκε ότι στην περίπτωση των παλμών laser με θετικό chirp επιτυγχάνεται η δημιουργία πιο ομοιόμορφων φυσαλίδων πλάσματος σε σχέση με τις υπόλοιπες περιπτώσεις, με αποτέλεσμα να αυξάνεται σημαντικά η απόδοση της επιτάχυνσης των σχετικιστικών ηλεκτρονίων, το οποίο έρχεται σε συμφωνία με τις πειραματικές μετρήσεις. Η μελέτη της εναλλαγής του chirp του παλμού του laser επεκτάθηκε και σε πολυ-ηλεκτρονικούς αέριους στόχους δείχνοντας ποιοτικά όμοια αποτελέσματα με την περίπτωση του He, αλλά παράλληλα τονίζοντας τις διαφορές που προκύπτουν λόγων των επιπλέον μηχανισμών παγίδευσης των ηλεκτρονίων. Τέλος, η μελέτη του ρόλου των πολυ-ηλεκτρονικών αέριων στόχων ολοκληρώθηκε με τη διενέργεια ταυτόχρονων μετρήσεων σχετικιστικών ηλεκτρονίων και των αντίστοιχων ακτίνων-χ τύπου βήτατρον που παράγονται κατά την ταλάντωση των σχετικιστικών ηλεκτρονίων εντός των φυσαλίδων πλάσματος.