بخشی از مقاله
چکیده:
در این کار تأثیر پارامترهای مختلف لیزر پیش پالس دمش در تولید پلاسمای محیط فعال در رهیافت تولید پرتو ایکس نرم از طریق دمش برخوردی پلاسما مطالعه شده است. برای این منظور از لیزر دمش دو پالسی و کد هیدرودینامیکی MED103 برای شبیه سازی محیط فعال ژرمانیوم شبه نئون استفاده شده است. با تغییر پارامترهای پالس ورودی از قبیل شدت، انرژی و پهنای پیش پالس، مشخصههای محیط فعال پلاسمایی و میزان یونش آن تعیین و سپس ضریب بهره محیط فعال محاسبه میشود. شبیه سازیها نشان میدهند برای دستیابی به پلاسما با بیشینه بهره لیزر پرتو ایکس نرم ژرمانیوم شبه نئون در طول موج 19/6 nm، مشخصات بهینه ای برای پیش پالس باید در نظر گرفته شود.
مقدمه :
تحقیقات نشان میدهد استفاده از محیط فعال پلاسمایی و به کارگیری رهیافت دمش برخوردی بیشترین بهره را در تولید پرتو ایکس نرم دارد.[1] برای یونهای شبه نئون شرایط پﻻسمایی بایستی به گونهای بهینه شود که بیشینه نرخ برانگیختگی برخوردی حاصل شود. در روش رایج استفاده از لیزر تک پالسی دمش، بهره حدود 1 5cm حاصل میشود.[2] در حالی که با تعدیل این روش و استفاده از یک پیش پالس و یا تکنیکهای چند پالسی میتوان به بهره لیزر حدود 8 cm 1 دست پیدا کرد.[3] از نقطه نظر فیزیکی بازدهی جذب تابش لیزر دمش با افزودن یک پیش پالس، بیشتر و میزان کمتری از انرژی صرف گسترش پلاسما میشود. در نتیجه انرژی درونی پلاسما افزایش یافته و به علت کاهش گرادیان چگالی در عین حال که مقدار چگالی همچنان به میزان کافی بالا است، پلاسمای تولیدشده برای بهرهگیری لیزر پرتو ایکس نرم مناسب میباشد. تحقیقات نشان میدهد با افزایش ناگهانی دمای الکترونی در ناحیهای که چگالی یونهای شبه نئون زیاد است پیشرفت چشمگیری در بازدهی لیزر پرتو ایکس حاصل میشود.[4] این افزایش سریع دمای الکترونی از طریق تابش پلاسمای تولید شده با یک پالس لیزری کوتاه - چند پیکوثانیه - و شدت بالا ممکن میشود. این پالس به قدری سریع است که از فرآیندهایی مثل واهلش، هدایت گرمایی، گسترش و یونیزاسیون مجدد1 و یا فرآیندهای معکوس در حین دمش جلوگیری میشود. در این پژوهش نیز از تکنیک دمش دوپالسی استفاده و تأثیر پارامترهای مختلف پیش پالس بر روی مشخصههای پلاسمای تولید شده به عنوان محیط فعال و نیز بهره لیزر پرتو ایکس نرم به صورت شبیه سازی ارائه شده است.
مدل شبیه سازی :
در برهمکنش لیزر پرشدت پالس کوتاه با ماده از سه مدل ذره ای، جنبشی و سیالی استفاده می شود 5] و .[6 در مدل سیالی همواره فرض بر این است که پلاسما در تعادل موضعی حرارتی بوده و به عبارتی تابع توزیع ذرات آن، تابع ماکسول با دمای مشخص Te و Ti میباشد. تحت این شرایط، پلاسما با متغیرهای ماکروسکوپیک آن مثل چگالی، فشار، سرعت سیال و غیره توصیف میشود. در مدل تک سیالی و دو دمایی معادلات بقای جرم، تکانه و انرژی با روابط1 تا 4 بیان می شود .[5] در این معادلات، چگالی، u بردار سرعت، Pi و Pe فشار یون و الکترون، Ei و Ee انرژی یون و الکترون و Si و Se هرگونه چشمه یا چاه انرژی یون ها و الکترون ها هستند. qi و qe نیز شار حرارتی وابسته به رسانش برای الکترون و یون می باشد. در توصیف لاگرانژی که شبکه مختصاتی متصل به پلاسما میباشد، رابطه انرژی به صورت رابطه5 نوشته میشود .[7]
در رابطه 5، CV - 8/ 7 - و BT - 8/ - T است و U انرژی درونی سیستم است. S منبع انرژی خارجی سیستم است که در توصیف هیدرودینامیکی، انرژی لیزر به صورت منبع انرژی خارجی در نظر گرفته میشود. مجموعه این معادلات با معادله حالت کامل میشوند که ارتباط فشار و انرژی درونی را به صورت تابعی از چگالی و دما بیان میکنند. در پژوهش حاضر به منظور بررسی و مطالعه محیط فعال پلاسمایی طی برهمکنش لیزر با پلاسما از کد شبیه سازی هیدرودینامیکی یک بعدی MED103 استفاده شده است.[8] این کد از رهیافت لاگرانژی برای حل معادلات خودسازگار هیدرودینامیکی، برانگیختگی، یونش پلاسمای لیزری و معادلات نرخ بهره میگیرد. گذار میان حالت های برانگیخته و حالت پایه شامل تقریب میانگین اتمی می باشد. در پلاسمایی که شامل مراحل مختلف یونش یک عنصر مشخص میباشد، اگر گونه های یونی متفاوت تنها با یک یون میانگین جایگزین شوند آنگاه تحولات فرآیند یونش به نسبت ساده میشود. کد MED103 معادله انرژی را به صورت ضمنی و معادله حرکت را به صورت صریح حل می کند و مختصات و حجم هر سلول یک گام زمانی جلوتر از دما و فشار الکترونی محاسبه میشود. همچنین این مقدار گام زمانی با میزان تغییرات نسبی دما و حجم نیز محدود میشود. برای حل این معادلات لازم است مشخصات ماده هدف و لیزر ورودی به عنوان کمیتهای مشخص به کد وارد شود. به این منظور مشخصات لیزر شامل پهنای پالس و شدت و شکل پالس به کد وارد می شود و از این طریق در هر گام زمانی انرژی پالس دمش محاسبه و در معادلات بالا جایگزین پارامتر S می شود. در نهایت پارامترهای ماکروسکوپیک مثل دما و چگالی الکترونی پلاسما، یونش و نیز بهره تولید پرتو ایکس نرم از طریق کد محاسبه میشود. هدف استفاده شده دراین کار ژرمانیوم با عدد اتمی 32 است که یون شبه نئون آن دارای 22 بار یونیده میباشد. پالس لیزر دمش شامل دو پالس با تاخیر زمانی چند صد ps است. پالس اول پالسی طولانی با پهنای چند صد ps به هدف جامد برخورد می نماید و پلاسما را با درجه یونش لازم تولید می کند. پالس دوم که پالسی کوتاه با پهنای زمانی چند ps است الکترون های آزاد را به سرعت و در زمانی کوتاه تر از زمان یونش پلاسما، تا چند صد الکترون
