بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تاثیر تغییرات چگالی محیط پلاسما، بر تزریق الکترونها، در شتاب میدان عقبه لیزری از طریق حل عددی، مورد مطالعه قرار گرفته است. درابتدا معادله غیرخطی میدان عقبه در حضور محیط پلاسما با چگالی متغییر بصورت عددی حل شده است. نتایج عددی نشان میدهد که اضافه کردن شیب منفی روی چگالی محیط موجب تسریع در گیراندازی و شتاب الکترون ها می شود. همچنین ضریب شیب خطی تاثیر بسزایی روی طول گیراندازی، طول وافازی و بهره انرژی دارد. ما با استفاده از حل عددی مقدار بهینه ضریب شیب چگالی را برای رسیدن به طول شتاب کمتر و بهره انرژی بیشتر بدست آورده ایم.
مقدمه
شتابدهنده های پلاسمایی، روشی نوین برای شتاب دادن به ذرات باردار مانند الکترونها، یونها و پوزیترونها می باشد. در ساختار شتا بدهنده های پلاسمایی ازپالس های فوق کوتاه لیزری یا پرتوهای پر انرژی ذرات، استفاده شده است که با پارامترهای پلاسما متناسب هستند. با اختراع روش تقویت پالس چرپ1، در سال 1988، امکان تولید امواج پلاسما با میدان الکتریکی بسیار قوی فراهم شد . این شاخه کاربردهای گوناگونی را در فیزیک تجربی و نظری و تولید باریکه های ذرات پر انرژی، اشعه هایایکس، گاما و ... بوجود آورده است.
از مهمترین کاربردهای برهم کنش پالس پر شدت فوق کوتاه با پلاسما، شتاب ذرات می باشد. شتاب دادن به الکترونها توسط لیزر نزدیک به چند دهه از جذابترین رشته های تحقیقاتی بوده است. در طی سالهای اخیر شبیه سازی ها و آزمایش ها نشان دادند که از برهم کنش یک پالس لیزر فوق کوتاه و پر شدت با پلاسمای کم چگال، می توان الکترون هایی با بهره انرژی بسیار بالا، در حدود گیگا الکترون ولت، تولید کرد .
الکترون های پر انرژی کاربردهای متنوع و مهمی از جمله در احتراق سریع واکنش گداخت[4 ,3]، تولید منابع پر شدت پرتو ایکس[5]، و همچنین در فعالیت های بیولوژیکی وپزشکی دارند. زمانیکه یک پالس لیزری پر شدت در پلاسمای کم چگال منتشر می شود، نیروی پاندرموتیو مربوط به پالس لیزر، الکترونها را از نواحی پرشدت پالس لیزر دور می کند و موجب اختلال در چگالی پلاسما بوسیله جدایش بارها می شود. این اختلال چگالی در واقع همان موج الکترونی در پلاسما است.
در این فرایند در صورتی که طول پالس لیزر از مرتبه طول موج پلاسما باشد میدان عقبه بزرگتری تولید خواهد شد. در این مقاله تزریق مناسب الکترون ها به میدان عقبه لیزر مورد بررسی قرار خواهد گرفت. تزریق الکترونها به روشهای متفاوتی انجام می شود. یکی از روشهای عمومی و مورد استفاده برای تزریق و به دام انداختن الکترون ها در موج پلاسما تزریق خود به خودی نام دارد. این پدیده زمانی رخ میدهد که موج پلاسما به اندازه کافی پر شدت باشد.
در این روش هیچ دستکاری خارجی صورت نمی پذیرد و از مشکلات آن کنترل کیفیت پرتو الکترونی و همچنین کنترل طول بسته الکترونی است .روش دوم برای تزریق و به دام انداختن الکترون ها، استفاده از پالس محرک کمکی است .از معایب این روش طراحی سخت و خارج شدن الکترونها از فاز شتاب می باشد. روش سوم برای تزریق الکترون ها که در این مقاله مورد مطالعه قرار گرفته است، استفاده از یک پلاسمای ناهمگن است. شیب چگالی، سبب ایجاد تغییرات در ساختار - دامنه و طول موج - میدان عقبه می شود.
این تغییرات موجب می شود با پیشرفت پالس لیزر در پلاسما، الکترونهایی که در فاز ارتعاش هستند به فاز شتاب منتقل شوند . در این مقاله، اثر تغییرات چگالی پلاسما، بر تزریق الکترونها، به منظور افزایش بهره شتاب، از طریق حل عددی با بررسی دینامیک تک ذره مورد مطالعه قرار گرفته است.
تئوری و پارامترهای شبیه سازی در این مقاله چگالی پلاسما بصورت یک تابع متغیر خطی در طول پلاسما n=n0+ z، در نظر گرفته شده است. n0 چگالی پلاسما در z=0 و ضریب تغییرات چگالی است که می تواند مقادیر مثبت یا منفی داشته باشد. در رابطه قبل، اگر l طول پلاسما - طول برهمکنش - باشد، مقدار دارای مقدار کمینه n0 و بیشینه nl0 می باشد. این معادله غیرخطی بعلت ناهمگنی چگالی پلاسما باید در هر مرحله از شبیه سازی حل شود.
دارای تغییرات خطی چگالی عبور می کند. برای پارامتر بدون بعد a0 که بیشینه دامنه پالس لیزر را نشان می دهد، مقدار نسبیتی ضعیف 0,5 در نظر گرفته شده است. توجه کنید که این دامنه به اندازه کافی بزرگ نیست تا باعث تزریق خودبخودی الکترون ها ناشی از شکست موج میدان عقبه گردد و لذا شیبدارکردن چگالی محیط پلاسما می تواند الکترون ها را به ناحیه شتاب وارد نماید.
دینامیک الکترون تزریق شده در جلوی پالس، از طریق حل معادله لورنتس برای اندازه حرکتهای اولیه مختلف مورد بررسی قرار گرفت.
طول ناحیه پلاسما 1 mm و همچنین ضریب شیب چگالی را پس از بهینه سازی به طریق سعی و خطا، در محدوده ی بیشینه و کمینه ی ضرایب مثبت و منفی شیب، مقدار 10 4 اختیار کرده ایم.
شتاب و همچنین طول مسیر شتاب آن ها برحسب اندازه حرکت اولیه آنها ترسیم شده است. تحول زمانی دامنه میدان عقبه در پلاسمای دارای شیب منفی. دامنه ی میدان الکتریکی موج دنباله با گذشت زمان و پیشروی در پلاسما بعلت کاهش چگالی پلاسما در حال کاهش است، اما از طرفی افزایش سرعت فاز میدان عقبه می تواند باعث بدام افتادن الکترون ها و انتقال آن ها از فاز ارتعاش به فاز شتاب شود و همچنین طول وافازی را برای الکترونهایی که در این میدان بدام افتاده اند افزایش دهد. این امرموجب افزایش طول شتاب میگردد.
در منحنی های فضای فاز - pz, z - الکترونی که با سرعت های اولیه مختلف جلوی پالس لیزر تزریق شده اند نشان داده شده است. در اینجا اندازه حرکت و مکان الکترون ها درافزایش مقداراندازه حرکت اولیه الکترون ، در شیب چگالی منفی با افزایش طول شتاب و کاهش طول گیر اندازی الکترون وتسریع مدت زمان گیر اندازی آن، همراه بوده است.بیشینه اندازه حرکت الکترون ها پس از بدام افتادن و در انتهای مسیر منحنی فاز الکترونهایی که با دو اندازه حرکت اولیه مختلف در جلوی پالس تزریق شده اند. بررسی تحول بیشینه اندازه حرکت الکترون ها و شتاب آن ها، برحسب اندازه حرکت اولیه الکترون با افزایش اندازه حرکت اولیه الکترون، اندازه حرکت نهایی رشد کرده و در مقدارPz0= 1,5 به بیشینه ای می رسد که مقدار بهینه انرژی تزریق را نشان می دهد.
