بخشی از مقاله
چکیده
وقتی پیش پالس یک پالس اصلی به سطح جلویی هدف می تابد پیش پلاسماي داغ درست می شود. مقیاس طولی این پیش پلاسما نقش مهمی در میزان جذب پالس اصلی و تولید الکترون هاي داغ دارد. در این مقاله تاثیر مقیاس طولی پیش پلاسما بر شتاب یون هاي Al+10 در برهمکنش پالس پرشدت لیزر با ورقه آلومینیومی با شبیه سازي عددي یک و نیم بعدي مورد بررسی قرار می گیرد. نشان داده می شود که به ازاي پارامترهاي برهمکنش معین، یک مقیاس طولی پیش پلاسماي بهینه وجود دارد که در آن بهره شتاب یون ها بیشینه می گردد. نشان داده شد که براي پارامتر هاي برهمکنش مورد استفاده ما، انرژي یو ن هاي Al+10 در طول 1.5 m از پیش پلاسما در مقایسه با عدم وجود پیش پلاسما، 2.5 برابر می شود.
مقدمه
در برهمکنش لیزر با پلاسما چگونگی جذب انرژي لیزر توسط پلاسما موضوع قابل توجهی است. از آنجاییکه میدان الکتریکی روي الکترون ها کار انجام می دهد، ساختار منبع میدان الکتریکی تفاوت فرایندهاي جذب انرژي لیزر و در نهایت داغ شدن الکترون ها را تعیین میکند. لیزر پس از برخورد به هدف جامد و یا پلاسماي پر چگال توسط سطح بحرانی بازتاب می شود و تنها میدان الکتریکی بسیار کوچکی در پلاسما نفوذ می کند. از این رو در شرایطی که الکترون ها از سطح بحرانی خارج شده و تحت تاثیر امواج ایستاده که میدان الکتریکی قوي تري دارد قرار می
گیرند انرژي بیشتري از لیزر کسب میکنند.
پس از جذب انرژي لیزر توسط ذرات پلاسما، الکترون ها به سمت داخل پلاسما شتاب میگیرند. براي اینکه یون ها نیز مانند الکترون ها مستقیما توسط پالس لیزر با سرعت هاي نسبیتی شتاب بگیرند به لیزرهایی با شدت بسیار بالا نیاز است. اما با توجه به محدودیت ساخت لیزرهایی با این شدت تا به امروز فرایند شتاب یون ها به طور غیر مستقیم صورت نگرفته است.
از اصلی ترین فرایند شتاب یون، شتاب توسط میدان الکتریکی ناشی از جدایش باردر پلاسما است. در این روش الکترون هایی که تلاش به فرار از سطح پشتی هدف و گریختن به خلا را دارند یک میدان بار فضا1 را تولید می کنند. این اساس کار شتاب یون ها در هدف جامد، روش غلاف عمودبرهدف2 نام دارد. در این رژیم با انتقال انرژي گرمایی الکترون ها به یون ها، سطح پشتی هدف منبسط می شود و یون هاي حاصل نیز بلافاصله باتوجه به نسبت بار به جرمشان شتاب میگیرند
شتاب یون ها و پروتون ها از هدف جامد در ابتدا به پارامتر هایی از پالس لیزر مانند قله شدت، طول زمانی پالس، قطبش، زاویه انتشار پرتو و همینطور به ضخامت هدف وحداکثر چگالی آن بستگی دارد. اما یکی از پارامترهاي اصلی تاثیر گذار بر شتاب یون ها مقیاس طولی چگالی پلاسما می باشد
در ابتدا قبل از برخورد پالس لیزر به هدف، چگالی محیط داراي تغییرات تیزي است اما درواقع پالس لیزر یک پالس ایده آل نمیباشد و قبل از اینکه پالس اصلی به هدف برخورد کند پیش پالس - ناشی از تقویت خودبخود در محیط فعال لیزري - محیط را یونیزه میکند و پلاسماي گرم در خلا پخش میشود. بنابراین پیش پلاسمایی خواهیم داشت که دیگر پروفایل چگالی آن تیز نمی باشد. هدف ما در این مقاله بررسی تاثیر شیب چگالی پیش پلاسما بر انرژي یون ها میباشد.
نتایج آزمایشگاهی و شبیه سازي ها نشان می دهد که بیشینه انرژي یون ها در ضخامت بهینه اتفاق می افتد و این ضخامت وابستگی شدیدي به مدت زمان پیش پالس دارد. بطور مثال شکل ١ و ٢ نتایج شبیه سازي و آزمایشگاهی دربرهمکنش پالس لیزري با ورقه هاي میکرومتري را نشان می دهد. مطابق شکل تاثیر پیش پالس بر ایجاد مقیاس هاي طولی مختلف پیش پلاسما وتاثیر آن برانرژي بیشینه یون ها قابل مشاهده است
شکل :1 مقایسه چگالی یون قبل و بعد از برخورد پیش پالس.باتوجه به شکل هرچه ضخامت هدف کمتر باشد اثر پیش پالس بیشتر بوده و موجب کاهش شیب چگالی و افزایش مقیاس طولی چگالی پلاسما میشود .
شکل:2 مقایسه انرژي بیشینه یون ها با تغییر مدت زمان پیش پالس. با افزایش زمان ضخامت بهینه نیز افزایش یافته وانرزي یون کاهش مییابد
ما در بخش بعدي این مقاله تاثیر حضور پیش پلاسماي گرم بر شتاب یون ها در برهمکنش پالس پرشدت با ورقه فلزي را بصورت عددي و با استفاده از برنامه شبیه سازي ذره در سلول3 یک و نیم بعدي که در گروه فیزیک اتمی و مولکولی دانشگاه مازندران نوشته شده است، مورد بررسی قرار داده ایم. مقدار بهینه مقیاس طولی پیش پلاسما براي پارامترهاي برهمکنش انتخابی، 1.5m بدست آمده است.
نتایج شبیه سازي
در این بخش شتاب یون هاي Al+10 از ورقه آلومینیوم با ضخامت 0.8m در برهمکنش با یک پالس لیزري با شدت - a=21.5 - I=1.51021W/cm2 به طول 35 fs با قطبش دایروي مورد بررسی قرار گرفته است. در شکل هاي ٣ الی ۶ منحنی فضاي فاز یون ها براي حالت هایی بترتیب با پیش پلاسمایی به ضخامت Lpr = 0. 5 m و Lpr = 1. 5m با رنگ قرمز نشان داده شده است. در هر دو مورد دماي پیش پلاسما مطابق با نتایج تجربی 100 eV درنظر گرفته شده است و منحنی هاي سیاه رنگ نتیجه برهمکنش پالس با ورقه بدون پیش پلاسماست. شتاب یون هاي انتهایی را می توان به شتاب در رژیم TNSA نسبت داد.
در این رژیم تولید الکترون هاي داغ در جلوي هدف و انتقال آن ها به پشت ورقه از اهمیت ویژه اي برخودار است. همانطور که میدانیم وجود پیش پلاسما می تواند تاثیر مهمی در جذب پالس لیزر و تولید الکترون هاي داغ با انرژي و چگالی متفاوت داشته باشد.
شکل :3 منحنی فضاي فاز یون هاي Al+10 در 14ps پس از آغاز برهمکنش. منحنی سیاه بدون و منحنی قرمز درحضور پیش پلاسما با .Lpr=0.5m در کد نوشته شده و براي انجام شبیه سازي زمان ها به p، طول
ها به p/c و پارامترهاي دیگر به ترتیب مشابه بی بعدسازي شده اند. بدین ترتیب طول اولیه 0.8 m ورقه از ٧۶١١ سلول تشکیل شده است که در هر سلول ١٠ یون Al+10 و ١٠٠ الکترون قرار داده ایم. همچنین زمان شبیه سازي براي رسیدن به مرحله نهایی شتاب تا بیش از 14 ps ادامه یافته است.
شکل :4 منحنی فضاي فاز یون هاي Al+10 در 14ps پس از آغاز برهمکنش. منحنی سیاه بدون و منحنی قرمز درحضور پیش پلاسما با .Lpr=1m
در ادامه با انتخاب چهار مقدار مختلف براي مقیاس طولی پیش پلاسما، یک پلاسماي ناهمگن با شیب خطی به طول هاي Lpr=0 .5. 1 , 1.5, 2 m ، با دماي T=100eV به ابتداي ورقه اضافه نموده ایم که منحنی هاي فضاي فاز یون آلومینیوم براي این حالت ها در شکل هاي ٣ الی ۶ مشخص شده اند.
شکل :5 منحنی فضاي فاز یون هاي Al+10 در 14ps پس از آغاز برهمکنش.منحنی سیاه بدون و منحنی قرمز درحضور پیش پلاسما با Lpr=1.5m
