Proefschrift

High-energy phenomena in laboratory and thunderstorm discharges Proefschrift


Samenvatting: Boven onweer en in ontladingen in het laboratorium worden röntgen- en gammastralen gemeten met energieën tot tientallen MeV. Daarnaast worden vanuit een onweerswolk elektronen-, elektronen-positronen- en neutronenbundels uitgezonden. Wij modelleren de productie en beweging van deze deeltjes met een driedimensionale, relativistische Monte Carlo code waarmee individuele deeltjes worden gevolgd.
In het eerste deel van dit proefschrift onderzoeken wij hoe gammastraling, positronen en hadronen in een onweerswolk worden geproduceerd vanuit een naar boven gerichte negatieve leader als deel van een intracloud bliksem (bliksem binnen een wolk). Om de energie en de richting van fotonen met elkaar te verbinden, wordt de Bethe - Heitler werkzame doorsnede voor elektron-nucleus remstraling geïntegreerd. Wij vergelijken onze resultaten met doorsnedes die door andere onderzoekers worden gebruikt, en laten zien dat andere doorsnedes tot onfysisch hoge energieën leiden. Wij modelleren de versnelling van elektronen in het veld van een leader van enkele sub-eV tot enkele MeV waarbij ook elektron-elektron remstraling toegevoegd is. Wij berekenen de fotonenverdeling en zien dat elektron-elektron remstraling tot een verrijking van elektronen met energieën boven 100 keV en daardoor tot een hoger aantal hoogenergetische fotonen leidt. Ook de energieverdeling van positronen en hadronen worden berekend. Wij laten zien dat een aanzienlijk aantal positronen met energieën van enkele MeV wordt geproduceerd en enkele kilometers boven hun bron kan worden gemeten.
Het tweede deel wordt gemotiveerd door werk van P. Kochkin die het uitzenden van röntgenstralen van een ontlading met een lengte van 1 m en een spanning van 1 MV bestudeert. Wij modelleren de beweging van voorversnelde, mono-energetische elektronenbundels met energieën van 100 keV t/m 1 MeV in lucht bij 300 K en 1 bar en berekenen de ruimtelijke en energieverdeling van fotonen. Dit geeft nieuw inzicht in hoe de elektronenenergie in fotonenenergie wordt getransformeerd.
Het derde deel is gemotiveerd door de vraag hoe hoogenergetische kosmische straling t/m 1020 eV de inwerkingtreding van bliksems beïnvloedt en hoe bliksems het meten van kosmische deeltjes beïnvloeden. Voor een dergelijk probleem is een model dat deeltjes van 1020 tot en met sub-eV volgt, nodig. Echter eindigt het geldigheidsbereik van hoogenergetische modellen bij 1 MeV waar paarproductie niet meer optreedt. Daarom wordt de beweging van elektronen van 1 keV t/m 1 GeV in lucht bij 10, 100 en 1000 mbar met en zonder een constant achtergrond elektrisch veld gemodelleerd. Het aantal elektronen en ionen als functie van tijd wordt berekend en de energie en ruimtelijke verdeling van elektronen na verschillende tijdstappen gepresenteerd. De gemiddelde ionisatieënergie per ion is 33 eV voor 250 MeV en daarboven. Echter neigt deze energie naar 20 eV voor kleinere beginenergieën.
Uiteindelijk draagt dit proefschrift bij aan het begrip van de productie en propagatie van verschillende hoogenergetische deeltjes bij verschillende luchtdrukken. Wij geven een nieuwe analyse van de productiemechanismen en van de observatie van elektronen, fotonen, positronen en hadronen in de atmosfeer.