Dissertation

High-energy phenomena in laboratory and thunderstorm discharges Dissertation


Zusammenfassung: Oberhalb von Gewittern und in Laborentladungen werden Röntgen- und Gammastrahlen mit Energien von einigen MeV gemessen. Des Weiteren werden von einer Gewitterwolke auch Elektronen-, Elektronen-Positronen- und Neutronenbündel ausgesandt. Wir modellieren die Produktion und Bewegung dieser Teilchen mit Hilfe eines dreidimensionalen, relativistischen Monte Carlo Codes, mit dem wir individuellen Teilchen folgen.
Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir, wie Gammastrahlen, Positronen und Hadronen in einer Gewitterwolke von einem nach oben gerichteten negativen Leader als Teil eines intracloud Blitzes (eines Blitzes innerhalb einer Wolke) produziert werden. Um die Energie und die Richtung eines Photons miteinander zu verbinden, haben wir den Bethe - Heitler Wirkungsquerschnitt für Elektron-Kern Bremsstrahlung integriert. Wir vergleichen unsere Ergebnisse mit Querschnitten, die von anderen Wissenschaftlern benutzt werden, und zeigen, dass andere Querschnitte zu unphysikalisch hohen Energien führen. Wir modellieren die Beschleunigung von Elektronen im Feld eines Leaders von einigen sub-eV bis zu einigen MeV, wobei wir auch Elektron-Elektron Bremsstrahlung benutzen. Wir berechnen die Photonenverteilung und sehen, dass Elektron-Elektron Bremsstrahlung zu einer Anreicherung von Elektronen mit Energien über 100 keV und dadurch zu einer grö├čeren Anzahl hochenergetischer Photonen führt. Zudem berechnen wir auch die Energieverteilung von Positronen und Hadronen. Wir zeigen, dass eine erhebliche Anzahl von Positronen mit Energien von einigen MeV produziert wird, die einige Kilometer oberhalb ihrer Quelle gemessen werden kann.
Der zweite Teil ist durch die Arbeit von P. Kochkin motiviert, der die Emission von Röntgenstrahlen von einer Entladung einer Länge von 1 m und einer Spannung von 1 MV studiert. Wir modellieren die Bewegung von vorbeschleunigten, monoenergetischen Elektronenschwärmen mit Energien von 100 keV bis 1 MeV in Luft bei 300 K und 1 Bar und berechnen die räumliche und Energieverteilung der Photonen. Dies liefert einen neuen Einblick, in wie genau die Elektronenenergie in Photonenenergie umgewandelt wird.
Der dritte Teil ist durch die Frage motiviert, inwiefern hochenergetische Strahlung bis 1020 eV das Entstehen von Blitzen beeinflusst und inwiefern Blitze die Messung kosmischer Teilchen beeinflussen. Für ein solches Problem braucht man ein Model, das Teilchen von 1020 eV bis zu einigen sub-eV folgt. Jedoch endet der Gültigkeitsbereich hochenergetischer Modelle bei 1 MeV, worunter Paarerzeugung nicht mehr auftritt. Deshalb modellieren wir die Bewegung von Elektronen mit Energien von 1 keV bis 1 GeV in Luft bei 10, 100 und 1000 mbar mit und ohne konstantes elektrisches Hintergrundfeld. Wir berechnen die Anzahl der Elektronen und Ionen als Funktion der Zeit sowie präsentieren die Energie und räumliche Verteilung der Elektronen nach verschiedenen Zeitschritten. Die durchschnittliche Ionisationsenergie pro Ion is 33 eV für 250 MeV und höher. Jedoch tendiert diese Energie gegen 20 eV für kleinere Anfangsenergien.
Schlie├člich trägt diese Arbeit zum Verständnis der Produktion und Propagation verschiedener hochenergetischer Teilchen bei verschiedenen Luftdrücken bei. Wir geben eine neue Analyse der Produktionsmechanismen und der Observationen von Elektronen, Photonen, Positronen und Hadronen in der Atmosphäre.