بخشی از مقاله
چکیده:
در این پژوهش تاثیر نوع ماده هدف در برهمکنش لیزر فوق پرتوان از مرتبه چندین پتاوات با اهداف فلزی در تولید پرتو گاما از طریق پراکندگی غیر خطی کامپتون و تولید زوج الکترون-پوزیترون، توسط کد ذره در سلول - PIC - EPOCH در دو بعد مورد بررسی قرار گرفته است. شبیهسازیها برای فلزات طلا، مس و منیزیوم انجام شده است. نتایج نشان میدهند که برهمکنش لیزر فوق پر شدت 4×1023 W/cm2 با اهداف فلزی با چگالی کمتر، منجر به افزایش تولید پرتو گاما و زوج الکترون-حفره میگردد. همچنین انرژی قطع طیف الکترونها و پرتوهای گاما برای اهداف
فلزی با چگالی کمتر، بیش از اهداف با چگالی بزرگتر است.
.1 مقدمه
بکارگیری فناوری تقویت پالس چیرپ - CPA - 1 در سامانههای لیزری 2]،[1، سبب افزایش چشمگیر توان لیزر در چند ده اخیر شده است که نسل نوینی از لیزرهای بسیار پرتوان PW - ًٌ - با شدتی بسیار بالا ٍ ٍَ - I را پدید آوردهاند.[3] این نوع لیزرها میتوانند در برهمکنش با ماده، پلاسمای کاملاً W / cm - ًٌ متفاوت و ابر نسبیتی2 تولید کنند.[4] در چنین پلاسمایی، الکترونها تا ضرایب لورنتس3 ٌ شتاب میگیرند. این پلاسما کاربردهای فراوان جالبی دارد و نشان داده شده است که میتواند به عنوان چشمه نور سینکروترونی4 رومیزی و برای تولید پلاسمای الکترون-پوزیترون چگال به کار رود .[2] علاوه بر این، در چنین پلاسمایی، کاربردهای مرسوم پلاسمای نسبیتی از قبیل گداخت محصورسازی اینرسی سریع [5]، شتابدهی یونها تا انرژیهای چندین GeV برای کاربردهای پزشکی [6] و تولید هارمونیکهای بالاتر برای تولید پالسهای آتوثانیه [7] میبایست در رژیم فرانسبیتی مورد بازبینی قرار گیرند8]،.[4 علیرغم مطالعات انجام شده در این حوزه، مفاهیم فیزیکی پلاسمای فرانسبیتی بخوبی شناخته شده نیستند. حضور میدانهای الکترومغناطیسی به اندازه کافی قوی در این پلاسما، منجر به واکنشهای الکترودینامیک کوانتومی - QED - غیر خطی، گسیل فوتون گاما و تولید زوج الکترون-پوزیترونها میشوند .[9] در برهمکنش لیزر 10 PW با پلاسما، پدیدههای غالب QED غیر خطی عبارتند از گسیل فوتونهای پر انرژی پرتو گاما - h - از الکترونهادر میدانهای الکترومغناطیسی لیزر از طریق فرایند پراکندگی غیر خطی کامپتون - گسیل سینکروترون - ، h e m l e و تولید جفتهای الکترون-پوزیترون توسط فرایند بریت-
ویلر5، e e l n h ، γl فوتون لیزر است 9-11]، .[2 از آنجایی که جفت شدن بین فرایندهای QED و دینامیک پلاسما در پلاسمای الکترودینامیک کوانتومی بسیار پیچیده است، به نظر میرسد که مدلسازیهای عددی تنها راه مطالعه این پدیدهها باشد. به منظور مطالعه پدیدههای QED غیر خطی در برهمکنش لیزر و ماده، کد ذره در سلول چند بعدی EPOCH که اثرات QED در آن اعمال شده است توسط دانشگاه وارویک6 انگلستان ارائه شده است.[12] ریدگرس7 و همکارانش در سال 2012 میلادی اولین نتایج شبیهسازی برهمکنش لیزر 10 PW با هدف جامد را با لحاظ نمودن فرایندهای QED مربوطه توسط این کد ارایه نمودند .[2] بدنبال این مطالعه، مقالات متعددی در این حوزه ارائه گردید .[13-17] در این تحقیق به منظور بررسی تاثیر نوع ماده هدف بر تولید پرتو گاما و زوج الکترون-پوزیترون در برهمکنش لیزرهای فوق پرتوان با جامدات، برهمکنش لیزر با توان از مرتبه چندین پتاوات با اهداف فلزی طلا، مس و منیزیوم با استفاده از کد ذره در سلول EPOCH - PIC - در دو بعد بررسی شده است. در بخش دوم این مقاله مشخصههای شبیهسازی بیان شده است. نتایج حاصل از این شبیهسازیها در بخش سوم و نتیجهگیری نهایی در بخش چهارم آورده شده است.
.2 مشخصههای شبیهسازی
شبیهسازیها در دو بعد انجام شده است. از لیزر با قطبش خطی و پتانسیل برداری بهنجار شده لیزر، a 0 ، برابر با 540 - شدت ٍ Wcm ًٌ ُ - و طول موج 1 ʽm استفاده شده است که در راستای مثبت محور x حرکت ٍَ میکند. نمایه مکانی لیزر به شکل گوسی در نظر گرفته شد که در لکهای به شعاع کمتر از 1 ʽm بر روی هدف کانونی شده است. بازه زمانی پالس 20 fsبا نمایه زمانی مربعی در نظر گرفته شد. اهداف فلزی کاملاً یونیده طلا، مس و منیزیوم به ضخامت m ٌ L ، چگالی های اولیه به ترتیب برابر َ g cm ٍَ / ٌُ,ُّ / َ ,ُْ / ٌ - x , y - برای L x ً وً - x , y - در سایر نقاط در نظر گرفته شدند. اهداف بوسیله 20 ابر ذره الکترون و 10 ابر ذره یون در هر سلول نمایش داده میشود. محدوده شبیه سازی دو بعدی x و y با ابعاد ٍ m ّ ّ و با وضوح 10 nm در هر راستا لحاظ شده است.
.3 بحث و نتایج
شکل 1 توزیع فضایی چگالی الکترونی را پس از برخورد لیزر با هدف، الف - طلا و ب - منیزیوم نشان میدهد. همانطور که مشخص است، فشار تابشی لیزر هدف را فشرده ساخته و حفرهای در هدف جامد ایجاد میکند. بدلیل چگالی بالاتر طلا، فشار تابشی لیزر حفره بسیار کم عمقتری نسبت به منیزیوم ایجاد کرده است. حفره ایجاد شده در هدف مسی نیز عمیقتر از طلا و کوچکتر از منیزیوم حاصل شد که جهت خلاصهسازی در شکل آورده نشده است.
