Numerical and Analytical Methods for Laser-Plasma Acceleration Physics

Theories and numerical modeling are fundamental tools for understanding, optimizing and designing present and future laser-plasma accelerators (LPAs). Laser evolution and plasma wave excitation in a LPA driven by a weakly relativistically intense, short-pulse laser propagating in a preformed parabolic plasma channel, is studied analytically in 3D including the effects of pulse steepening and energy depletion. At higher laser intensities, the process of electron self-injection in the nonlinear bubble wake regime is studied by means of fully self-consistent Particle-in-Cell simulations. Considering a non-evolving laser driver propagating with a prescribed velocity, the geometrical properties of the non-evolving bubble wake are studied. For a range of parameters of interest for laser plasma acceleration, The dependence of the threshold for self-injection in the non-evolving wake on laser intensity and wake velocity is characterized. Due to the nonlinear and complex nature of the Physics involved, computationally challenging numerical simulations are required to model laser-plasma accelerators operating at relativistic laser intensities. The numerical and computational optimizations, that combined in the codes INF&RNO and INF&RNO/quasi-static give the possibility to accurately model multi-GeV laser wakefield acceleration stages with present supercomputing architectures, are discussed. The PIC code jasmine, capable of efficiently running laser-plasma simulations on Graphics Processing Units (GPUs) clusters, is presented. GPUs deliver exceptional performance to PIC codes, but the core algorithms had to be redesigned for satisfying the constraints imposed by the intrinsic parallelism of the architecture. The simulation campaigns, run with the code jasmine for modeling the recent LPA experiments with the INFN-FLAME and CNR-ILIL laser systems, are also presented.

Laser systems for collinear spectroscopy and the charge radius of 12 Be

Die kollineare Laserspektroskopie hat sich in den vergangenen drei Jahrzehnten zur Bestimmung der Kernladungsradien mittelschwerer und schwerer kurzlebiger Atomkerne in ausgezeichneter Weise bewährt. Auf die Isotope sehr leichter Elemente konnte sie allerdings erst kürzlich erweitert werden. Dieser Bereich der Nuklidkarte ist von besonderem Interesse, denn die ersten ab-initio Modelle der Kernphysik, die den Aufbau eines Atomkerns basierend auf individuellen Nukleonen und realistischenWechselwirkungspotentialen beschreiben, sind gegenwärtig nur für die leichtesten Elemente anwendbar. Außerdem existiertrnin dieser Region eine besonders exotische Form von Atomkernen, die sogenanntenrnHalokerne. Die Isotopenkette der Berylliumisotope zeichnet sich durch das Auftreten des Ein-Neutronen Halokerns 11Be und des Zwei- oder Vier-Neutronen-Halos 14Be aus. Dem Isotop 12Be kommt durch seine Position zwischen diesen beiden Exoten und den im Schalenmodell erwarteten magischen Schalenabschluss N = 8 eine besondere Bedeutung zu.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere frequenzstabilisierte Lasersysteme für die kollineare Laserspektroskopie aufgebaut. An TRIGA-SPEC stehen nun unter anderem ein frequenzverdoppeltes Diodenlasersystem mit Trapezverstärker und frequenzkammstabilisierter Titan-Saphirlaser mit Frequenzverdopplungsstufe für die Spektroskopie an refraktären Elementen oberhalb von Molybdän zur Verfügung, die für erste Testexperimente eingesetzt wurden. Außerdem wurde die effiziente Frequenzvervierfachung eines Titan-Saphirlasers demonstriert. An ISOLDE/CERN wurde ein frequenzkammstabilisierter und ein jodstabilisierter Farbstofflaser installiert und für die Laserspektroskopie an 9,10,11,12Be eingesetzt. Durch das verbesserte Lasersystem und den Einsatz eines verzögerten Koinzidenznachweises für Photonen und Ionen gelang es die Empfindlichkeitrnder Berylliumspektroskopie um mehr als zwei Größenordnungen zu steigern und damit die früheren Messungen an 7−11Be erstmals auf das Isotop 12Be auszuweiten. Außerdem wurde die Genauigkeit der absoluten Übergangsfrequenzen und der Isotopieverschiebungen der Isotope 9,10,11Be signifikant verbessert.rnDurch den Vergleich mit Ergebnissen des Fermionic Molecular Dynamics Modells kann der Trend der Ladungsradien der leichteren Isotope durch die ausgeprägte Clusterstruktur der Berylliumkerne erklärt werden. Für 12Be wird ersichtlich, dass der Grundzustand durch eine (sd)2 Konfiguration statt der vom Schalenmodell erwarteten p2 Konfiguration dominiert wird. Dies ist ein klares Indiz für das bereits zuvor beobachtete Verschwinden des N = 8 Schalenabschlusses bei 12Be.

An all-solid state laser system for the laser ion source RILIS and in-source laser spectroscopy of astatine at ISOLDE,CERN

This doctoral thesis describes the extension of the resonance ionization laser ion source RILIS at CERN/ISOLDE by the addition of an all-solid state tunable titanium:sapphire (Ti:Sa) laser system to complement the well-established system of dye lasers. Synchronous operation of the so called Dual RILIS system of Ti:Sa and dye lasers was investigated and the potential for increased ion beam intensity, reliability, and reduced setup time has been demonstrated. In-source resonance ionization spectroscopy was performed at ISOLDE/CERN and at ISAC/TRIUMF radioactive ion beam facilities to develop an efficient and selective three-colour ionization scheme for the purely radioactive element astatine. A LabVIEW based monitoring, control and measurement system was conceived which enabled, in conjunction with Dual RILIS operation, the spectroscopy of high lying Rydberg states, from which the ionization potential of the astatine atom was determined for the first time experimentally.

Highly accurate quantum chemistry : spin-orbit splittings via multireference coupled-cluster methods and applications in heavy-atom main-group chemistry

Diese Dissertation demonstriert und verbessert die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie im Hinblick auf die hochgenaue Berechnung von Moleküleigenschaften. Die Demonstration erfolgt mittels Extrapolations- und Additivitätstechniken in der Single-Referenz-Coupled-Cluster-Theorie, mit deren Hilfe die Existenz und Struktur von bisher unbekannten Molekülen mit schweren Hauptgruppenelementen vorhergesagt wird. Vor allem am Beispiel von cyclischem SiS_2, einem dreiatomigen Molekül mit 16 Valenzelektronen, wird deutlich, dass die Vorhersagekraft der Theorie sich heutzutage auf Augenhöhe mit dem Experiment befindet: Theoretische Überlegungen initiierten eine experimentelle Suche nach diesem Molekül, was schließlich zu dessen Detektion und Charakterisierung mittels Rotationsspektroskopie führte. Die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie wird verbessert, indem eine Multireferenz-Coupled-Cluster-Methode für die Berechnung von Spin-Bahn-Aufspaltungen erster Ordnung in 2^Pi-Zuständen entwickelt wird. Der Fokus hierbei liegt auf Mukherjee's Variante der Multireferenz-Coupled-Cluster-Theorie, aber prinzipiell ist das vorgeschlagene Berechnungsschema auf alle Varianten anwendbar. Die erwünschte Genauigkeit beträgt 10 cm^-1. Sie wird mit der neuen Methode erreicht, wenn Ein- und Zweielektroneneffekte und bei schweren Elementen auch skalarrelativistische Effekte berücksichtigt werden. Die Methode eignet sich daher in Kombination mit Coupled-Cluster-basierten Extrapolations-und Additivitätsschemata dafür, hochgenaue thermochemische Daten zu berechnen.

Doubly charged ion mass spectra of alkyl-substituted furans and pyrroles

Doubly charged ion mass spectra of alkyl-substituted furans and pyrroles were obtained using a double-focusing magnetic mass spectrometer operated at 3.2 kV accelerating voltage. Molecular ions were the dominant species found in doubly charged spectra of lower molecular weight heterocydic compounds, whereas the spectra of the higher weight homologues were typified by abundant fragment ions from extensive decomposition. Measured doubly charged ionization and appearance energies ranged from 22.8 to 47.9 eV. Ionization energies were correlated with values calculated using self-consistent field–molecular orbital techniques. A multichannel diabatic curve-crossing model was developed to investigate the fundamental organic ion reactions responsible for development of doubly charged ion mass spectra. Probabilities for Landau–Zener type transitions between reactant and product curves were determined and used in the collision model to predict charge-transfer cross-sections, which compared favorably with experimental cross-sections obtained using time-of-flight techniques.

Sensitivity of charge transfer reactions to hydrocarbon ion structures

Charge transfer reactivities of hydrocarbon ions have been measured with time-of-flight techniques, and results correlated with theoretical structures computed by self-consistent field molecular orbital methods. Recombination energies, ion structures, heats of formation, reaction energetics and relative charge transfer cross-sections are presented for molecular and fragment ions produced by electron bombardment ionization of CH4, C2H4, C2H6, C3H8 and C4H10 molecules. Even-electron bridged cations have low ion recombination energies and relatively low charge transfer cross-sections as compared with odd-electron hydrocarbon cations.

Photodissociation dynamics of tert-butylnitrite following excitation to the S(1) and S(2) states. A study by velocity-map ion-imaging and 3D-REMPI spectroscopy

Excitation of tert-butylnitrite into the first and second UV absorption bands leads to efficient dissociation into the fragment radicals NO and tert-butoxy in their electronic ground states (2)Π and (2)E, respectively. Velocity distributions and angular anisotropies for the NO fragment in several hundred rotational and vibrational quantum states were obtained by velocity-map imaging and the recently developed 3D-REMPI method. Excitation into the well resolved vibronic progression bands (k = 0, 1, 2) of the NO stretch mode in the S(1) ← S(0) transition produces NO fragments mostly in the vibrational state with v = k, with smaller fractions in v = k - 1 and v = k - 2. It is concluded that dissociation occurs on the purely repulsive PES of S(1) without barrier. All velocity distributions from photolysis via the S(1)(nπ*) state are monomodal and show high negative anisotropy (β ≈ -1). The rotational distributions peak near j = 30.5 irrespective of the vibronic state S(1)(k) excited and the vibrational state v of the NO fragment. On average 46% of the excess energy is converted to kinetic energy, 23% and 31% remain as internal energy in the NO fragment and the t-BuO radical, respectively. Photolysis via excitation into the S(2) ← S(0) transition at 227 nm yields NO fragments with about equal populations in v = 0 and v = 1. The rotational distributions have a single maximum near j = 59.5. The velocity distributions are monomodal with positive anisotropy β ≈ 0.8. The average fractions of the excess energy distributed into translation, internal energy of NO, and internal energy of t-BuO are 39%, 23%, and 38%, respectively. In all cases ∼8500 cm(-1) of energy remain in the internal degrees of freedom of the t-BuO fragment. This is mostly assigned to rotational energy. An ab initio calculation of the dynamic reaction path shows that not only the NO fragment but also the t-BuO fragment gain large angular momentum during dissociation on the purely repulsive potential energy surface of S(2).