Atomistische Simulationen der Kanalführung und Strahlung der ultrarelativistischen Partikeln in kristallinen Strukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war die fortgeschrittene rechnerische Erforschung verschiedener Phänomene, die die Ausbreitung von hochenergetischen (bis zu Hunderten von GeV) Elektronen und Positronen in orientierten Kristallen unterschiedlicher Geometrie begleiten. Dabei lag der Schwerpunkt auf gekrümmten Kristallen (BC), periodisch gekrümmten Kristallen (PBC) und quasi-periodisch gekrümmten Kristallen (qPBC). Ein Forschungsprogramm im Rahmen des Projekts kombinierte die Theorie, die rechnerische Modellierung und das Design der kristallinen Strukturen, die Dynamik der ultra-relativistischen Teilchen unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit den Kristallatomen sowie der Strahlungsdämpfungskraft und der Photonenemissionsprozesse durch geladene Projektile. Im Rahmen des Projekts wurden forgeschrittene Algorithmen für die Multiskalenmodellierung angewandt, um den Durchgang von Teilchen durch kristalline Strukturen makroskopischer Größe effizient zu simulieren und die spektral-angulare Verteilung der emittierten Strahlung zu berechnen. Durch die Ausbreitung intensiver, hoch kollimierter Strahlen ultra-relativistischer Teilchen durch orientierte BC, PBC und qPBC ist es möglich, neuartige kristallbasierte Lichtquellen (CLS) zu konstruieren, die im Sub-Angström-Wellenlängenbereich arbeiten, wo die auf der Teilchenbewegung in den Feldern von Permanentmagneten basierenden Technologien ineffizient oder unfähig werden. Sobald sie entwickelt sind, werden CLS zahlreiche Anwendungen in den Grundlagenwissenschaften, der Technik und der Medizin haben. Die Konstruktion solcher Lichtquellen ist eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe, die ein stark interdisziplinäres Gebiet darstellt. Eine der wichtigsten Aktivitäten in diesem Bereich betrifft die Entwicklung und Anwendung einzigartiger Algorithmen und Werkzeuge für die Multiskalenmodellierung mit extrem hoher und zuverlässiger Vorhersage der Prozesse der Ausbreitung ultra-relativistischer Projektile in orientierten Kristallen, der Strahlungsemission und verwandter Phänomene. Im Rahmen des laufenden Projekts basiert der Ansatz der Multiskalenmodellierung auf dem Softwarepaket MBN Explorer - einem universellen und leistungsstarken Werkzeug für die Simulation einer Vielzahl von Prozessen, sowie deren quantitative Charakterisierung. Die Forschung im Rahmen des aktuellen Projekts war eng mit den wissenschaftlichen, technologischen und experimentellen Aktivitäten verknüpft, die im Rahmen der laufenden EU-geförderten Verbundprojekte H2020-N-LIGHT und Horizon Europe TECHNO-CLS durchgeführt werden, die sich auf die Entwicklung und praktische Umsetzung neuartiger CLS konzentrieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Crystal-based intensive gamma-ray light sources. The European Physical Journal D, 74(10).
Korol, Andrei V. & Solov’yov, Andrey V.
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Novel Light Sources Beyond Free Electron Lasers, Particle Acceleration and Detection series, Springer Nature Switzerland, Cham (2022), 214 p. ISBN: 978-3-031-04281-2 (hardcover), ISBN: 978-3-031-04282-9
A.V. Korol & A.V.Solov’yov
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Advances in multiscale modeling for novel and emerging technologies. The European Physical Journal D, 75(7).
Verkhovtsev, Alexey V.; Solov’yov, Ilia A. & Solov’yov, Andrey V.
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All-atom relativistic molecular dynamics simulations of channeling and radiation processes in oriented crystals. The European Physical Journal D, 75(3).
Korol, Andrei V.; Sushko, Gennady B. & Solov’yov, Andrey V.
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Channeling and radiation of electrons and positrons in diamond heterocrystals, St. Petersburg Polytechnical State Uni. J. Phys. & Math. 14 (2021) 190
A.V. Pavlov; A.V. Korol; V.K. Ivanov & A.V. Solov’yov
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MBN explorer atomistic simulations of 855 MeV electron propagation and radiation emission in oriented silicon bent crystal: theory versus experiment. The European Physical Journal Plus, 137(1).
Haurylavets, V. V.; Leukovich, A.; Sytov, A.; Bandiera, L.; Mazzolari, A.; Romagnoni, M.; Guidi, V.; Sushko, G. B.; Korol, A. V. & Solov’yov, A. V.
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Extremely brilliant crystal-based light sources. The European Physical Journal D, 76(9).
Sushko, Gennady B.; Korol, Andrei V. & Solov’yov, Andrey V.
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Ultra-relativistic electron beams deflection by quasi-mosaic crystals. The European Physical Journal D, 76(12).
Sushko, Gennady B.; Korol, Andrei V. & Solov’yov, Andrey V.
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Atomistic modeling and characterizaion of light sources based on small-amplitude short-period periodically bent crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 537, 1-13.
Korol, Andrei V. & Solov’yov, Andrey V.
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Atomistic modeling of the channeling process with radiation reaction force included. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 535, 117-125.
Sushko, Gennady B.; Korol, Andrei V. & Solov’yov, Andrey V.
