بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله تاثیر تابشهای سینکروترون پر انرژی بر انرژی الکترونها در برهمکنش لیزر فوق پرتوان با پلاسمای کم
چگال توسط شبیهسازی ذره در سلول در یک بعد مورد بررسی قرار گرفته است. شبیهسازیها برای لیزر با شدت 2×1023 W/cm2 و پروفایل زمانی گوسی با پهنای کل در نصف بیشینه 15 fs - FWHM - و 32/5 fs انجام شده است. انرژی قطع فوتونهای بوجود آمده در برهمکنش پالس 15 fs بیش از دو برابر انرژی قطع فوتونهای حاصل از پالس 32/5 fs بدست آمد و برای هر دو پالس، الکترونها تا مرتبه چندین گیگا الکترون ولت شتاب میگیرند. محاسبات نشان میدهند که لحاظ نمودن اثرات تابش سینکروترون، منجر به کاهش حدود 1 گیگا الکترون ولتی انرژی قطع الکترونها میشود.
.1 مقدمه
طی سالیان اخیر، دسترسی تجربی به باریکههای لیزر با شدتی از مرتبه 1022 W/cm2 امکانپذیر شده است.[1] دستاوردهای جدید در حوزه فناوری لیزر نشان میدهد که در آیندهای نه چندان دور، شدت باریکه لیزر در برخی سامانههای در حال ساخت از مرز 1025 W/cm2 فراتر خواهد رفت .[2-4] در میدان الکترومغناطیسی قوی چنین لیزرهایی - E > 1015 V/m - ، برهمکنش لیزر و پلاسما به شدت غیر خطی است و ملاحظات الکترودینامیک کوانتومی - QED - ایفای نقش میکند و رفتار کلاسیکی ذرات در میدانهای لیزر به طور قابل توجهی نیازمند اصلاح است. ناحیه مذکور میتواند حوزه نوینی را جهت مطالعه در زمینه فیزیک هستهای، ذرات، کیهانشناسی و فیزیک چگالی انرژی بالا در اختیار پژوهشگران قرار دهد .
در ناحیه نزدیک QED، الکترونهای نسبیتی نوسان کننده در میدان فوق پر شدت لیزر، تابش پر شدتی گسیل میکنند که در محدوده انرژی پرتوهای گاما قرار دارد . در چنین فرایندهایی، میدان تابشی توسط ذرات با شتاب افزاینده و یا کاهنده، به اندازه کافی قوی است که بر خود ذره تاثیر می گذارد که این پدیده به عنوان واکنش تابش - RR - 1، میرایی تابش2 و یا واکنش-عقب تابش3 شناخته شده است .
این فرایندها به شدت غیر خطی هستند و مطالعه آنها بطور تجربی بسیار دشوار است با این حال مطالعات نظری گستردهای در این خصوص انجام شده است .در سالهای اخیر به کمک ابر رایانهها امکان مطالعه عددی این فرایندها در شبیهسازیهای در مقیاس بزرگ با لحاظ نمودن اثرات QED و RR در کدهای محاسباتی فراهم آمده است 10-14]، [5، که اغلب اثرات QED را در برهمکنش لیزر با اهدافی با چگالی فراتر از چگالی بحرانی اصلاح شده نسبیتی و یا نزدیک چگالی بحرانی مطالعه نمودهاند. با افزایش شدت لیزر، نوسان الکترون ایجاد شده بوسیله میدان تابشی قویتر میشود و نیروی میرایی تابش با نیروی لورنتس برابری میکند. در این حالت معادله حرکت الکترون بصورت معادله اصلاح شده - 1 - نوشته می شود :
اول این معادله نیروی لورنتز و دومین جمله نیروی میرایی تابش است .[6] با نیروی میرایی در حالت فرانسبیتی با معادله - 2 - بیان میشود .
افت انرژی ناشی از میرایی تابشی با افزایش شدت لیزر بیشتر میشود. با استفاده از معادلات - 1 - و - 2 - این افت بصورت معادله - 3 - تخمین زده میشود :
الکترونها در میدانهای الکترومغناطیسی لیزر از طریق فرایند پراکندگی غیر خطی کامپتون - تابش سینکروترون اصلاح شده کوانتومی - ، فوتون لیزر است، و تولید جفتهای الکترون-پوزیترون توسط فرایند چند فوتونی بریت- ویلر،
در این مقاله تاثیر پدیده های RR و تابش سینکروترونی الکترونها بر انرژی الکترونها در برهمکنش لیزر فوق پر توان با پلاسمای کم چگال با استفاده از روش ذره در سلول - PIC - در یک بعد بررسی شده است.
برای این منظور از کد PIC بنام EPOCH که اثرات الکترودینامیک کوانتومی در آن گنجانده شده است، با لحاظ نمودن ماژولهای تابش و RR، در شبیهسازیها استفاده گردید .[16] در بخش دوم این مقاله به مشخصههای شبیهسازی اشاره شده است. بحث و نتایج در بخش سوم، و بخش پایانی نیز به نتیجهگیری اختصاص داده شده است.
.2 مشخصههای شبیهسازی
شبیهسازیها در یک بعد انجام شده است. از لیزر با قطبش خطی و پتانسیل برداری بهنجار شده لیزر، a 0 ،
برابر با 315 - شدت Wcm - و طول موج 0/8 ʽm استفاده شده است که در راستای مثبت محور x انتشار مییابد. از دو پالس لیزر با پهناهای - FWHM - برابر 15 fs و 32/5 fs استفاده گردید. هدف پلاسمای کم چگال هیدروژن گونه با چگالی در نظر گرفته شده است که nc چگالی بحرانی پلاسما است. فضای شبیهسازی برابر با 600 m و با تفکیک 20 nm لحاظ گردید. هدف به کمک 20 ابر ذره الکترون و 20 ابر ذره یون در هر سلول نمایش داده میشود.
.3 بحث و نتایج
شکل 1 - الف - و - ب - میدانهای عرضی دو پالس با پهنای زمانی به ترتیب 15 fs و 32/5 را در زمان 2 ps پس از برهمکنش لیزر با پلاسما در دو حالت، پدیده های کوانتومی تابش سینکروترون و RR لحاظ شده و نشده - به ترتیب QED_ON و - QED_OFF نشان میدهد. همانطور که مشخص است برای هر دو پالس، در نظر گرفتن این پدیدهها اثر قابل توجهی بر انتشار پالس لیزر در پلاسما نداشته است. میرایی و جذب قسمتهای ابتدایی پالس لیزر در حین انتشار درون پلاسما برای هر دو پالس بوضوح قابل مشاهده است.
