Simulation wasserstoffähnlicher schwerer Ionen in starken elektromagnetischen Feldern

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation wasserstoffähnlicher Schwerionenin starken elektromagnetischen Feldern. Diese könnenaus der ebenen Welle eines Laserpulses, demLiénard-Wiechert Potential eines Projektils inStößen oder der Kombination beider in laserassistiertenStößen bestehen. Aufgrund der hohen Feldstärken undder damit verbundenen hohen Geschwindigkeiten wirddas Elektron relativistisch durch die Diracgleichungbeschrieben. Die Schwierigkeit liegt hierbei darin,dass mit der Schwingung der Wellenfunktion und derdes Laserfeldes Zeitskalen involviert sind, die sich um 4-6 Zehnerpotenzen unterscheiden. Der numerische Aufwand wird reduziert, indemdie Diracgleichung des näherungsweise zylindersymmetrischen Problems in Zylinderkoordinatenauf eine zweidimensionale Gleichung zurückgeführt wird.Gemäß dieser Gleichung wird der Anfangszustand einesgebundenen Elektrons mit finiten Elementen zeitlich propagiert.Damit lässt sich wasserstoffähnliches Uran in Laserpulsenmit Wellenlängen bis im Nanometerbereich simulieren. Aus der zeitabhängigen Wellenfunktion werden Amplitudenfür Ionisation, Anregung, Elektron-Positron-Paarerzeugungund im Fall von Stößen Transferionisation berechnet.In Laserpulsen wird das Spektrum der in Form höhererHarmonischer emittierten Strahlung ermittelt. Simuationenlaserassistierter Stöße von Goldkernen auf wasserstoffähnliches Uran lassen Stabilisierungdes Grundzustands durch das Laserfeld in Abhängigkeit von dessen Phase erkennen. This thesis treats numerical simulations of hydrogenlikeions in strong elektromagnetic fields. These can consist ofthe plane wave of a laserpulse, the Liénard-Wiechert potentialsof a projectile in collisions or a combination of both in laserassisted collisions. Due to the high fieldstrengthsand the corresponding high velocities the electron is describedrelativistically employing the Dirac equation. The difficulty herein consists of the fact that with the oscillation of the Wavefunction and those of the laserfield there are timescalesinvolved which differ in 4-6 powers of ten. The numerical effort is reduced by ascribing the Dirac equationof the approximate cylindric symmetric problem in cylinder coordinates to a twodimensional equation. The initial wavefunctionis propagated in time according to this equation using finite elements. With this method hydrogenlike uranium can be simulatedin laser pulses up to nanometer range. From the timedependant wavefunction amplitudes for ionisation,excitation, electron-positron pair production and in the case of collisons transfer ionisation are computed. In laser pulses thespectrum of the radiation emitted in terms of higher harmonics is determined. In simulations of laserassisted collisons of gold nuclei on hydrogenlike uranium stabilisation of the groundstateare perceived.