Inverzní Comptonův rozptyl na laserem urychlených elektronech

Abstract

Tato práce se zabývá studiem vzniku rentgenového až gama záření při interakci elektromagnetického záření s relativistickými elektrony. Tento proces se nazývá inverzní Comptonův rozptyl. Úvodní část shrnuje základní poznatky v problematice urychlování elektronu na relativistické rychlosti v podkriticky hustém plazmatu pomocí metody laser wakefield acceleration. Práce dále popisuje využití takto urychlených elektronu ke zvyšování energie rozptýlených fotonu vlivem dvojitého Dopplerova posunu. Je zde odvozen a popsán analytický vztah pro výpočet spektrální intenzity vyzařování elektronu a shrnuty vlastnosti záření. Pro účely zkoumání vlastností záření při inverzním Comptonve rozptylu byl vyvinut kód COCO, implementovaný v programu Matlab. Výpočet spektrální intenzity vyzařování využívá metody rychlé Fourierovy transformace radiačního pole elektronu. Praktická část práce se zaměřuje na popis simulací navrženého kódu a shrnuje dosažené výsledky. Ve všech testovaných případech se výsledky simulací shodovali s teorií či modelovými případy z dostupné literatury. Simulace elektronového svazku byly prováděny na výpočetním clusteru ELI ECLIPSE. Je zde ukázáno, že tvar spektra či divergence záření jsou podobné pro elektronový svazek i jeden elektron. V případě simulací jednoho elektronu byl navíc algoritmus velmi rychlý a je tak možné ho využít při experimentech v badatelském centru PALS nebo na mezinárodním projektu ELI beamlines.

This thesis deals with the study of X- and -radiation during the interaction of relativistic electrons with the intense electromagnetic field. This mechanism is called inverse Compton scattering. In the first part, underlying physics of electron acceleration in underdense plasma based on the method called laser wakefield acceleration is presented. Furthermore, the thesis focuses on energy upshift of laser photons while interacting with relativistic electrons. The conversion of laser photons to -radiation occurs as the double Doppler upshift. An analytic expression of the spectral intensity of radiation is derived and described. For the purpose of examining the properties of radiation from inverse Compton scattering, a new COCO code has been implemented. Radiation spectrum is computed through the use of fast Fourier transform of the radiation field of electrons. In the practical part of the thesis, the description of the simulations is provided and achieved simulation results are discussed. In all tested cases, simulation results agreed with the theory as well as with corresponding results from the scientific literature. Electron bunch simulation has been performed at ELI ECLIPSE computational cluster. Results show the similarity of the spectral shape as well as the divergence in the case of an electron bunch and a single electron. Algorithm was relatively fast in the case of a single electron simulation, therefore, it could be used as a useful tool during the experiments in the Prague Asterix Laser System facility or in the international project ELI-beamlines.