بخشی از مقاله
این مقاله گزارش دستیابی به نتایج جدید، در زمینهي کاربرد لیزر در تولید الکترون ها با پهناي باریک انرژي میباشد. در بخش نظریه با ارائه الگوي جدید رژیم شتابدهی حباب بیضی شکل در مقابل الگوي کروي قبلی، نشان داده میشود که کیفیت باریکهي الکترونی حاصل داراي پخششدگی بسیار کمتري نسبت به روشهاي دیگر می باشد. این موضوع به دلیل تاثیرپذیري کمتر انرژي الکترون از کشیدگی طولی حباب در مقایسه با انقباض عرضی در این رژیم میباشد. در بخش عملی این مقاله، گزارش تولید باریکهي الکترونی شبه تکانرژي با استفاده از تمرکز یک لیزر بیست تراواتی با دوام زمانی سی فمتوثانیه روي گاز هلیوم، ارائه شده است.
کلید واژه: رژیم حباب بیضی شکل، الکترون، لیزرپرشدت، الکترون شبه- تکانرژي کد 0140/140 – PACS
-1 مقدمه
برهم کنش پالس لیزرهايپرشدت وفوق کوتاه با هدف جامد با پلاسما به کمک فناوري تقویت پالس کشیده شده لیزر - CPA - در سال هاي اخیر منجر به شتاب دهی ذرات[1]، دستیابی به پرتوهاي همدوس x وگاما، طرح گداخت سریع، لیزرهاي x وبسیاري ازکاربردهاي دیگر درپزشکی، فیزیک پلاسما، فیزیک هسته اي از جمله استحاله زباله هاي هسته اي[2] وشاخه هاي دیگر فیزیک شده است. این فناوري براي اولین بار توسط مورو [3]وهمکارانش ارائه گردید که محدودیت هاي افزایش توان را تا حد توان هاي بسیار بالا ازبین برد.
یکی از کاربردهاي مهم این برهم کنش، شتاب دهی الکترون ها توسط گرادیان هاي بالاي میدان دنباله اي حاصل از برخورد لیزر با پلاسماي گازي می باشد .[4] اخیراً در نتایج آزمایشات عملی و همچنین شبیه سازي سه بعدي ذره در جعبه - PIC - ، مواردي از تولید الکترون ها با پهناي باریک انرژي - شبه-تک انرژي - ، گزارش شده است.[5-7]باریکه هاي الکترون با کیفیت بالا با پخش شدگی کم و توزیع شبه تک انرژي بویژه در ساخت شتابدهنده هاي لیزري الکترون، ازاهمیت ویژه اي برخوردارند.[8-10] در راستاي تولید الکترون هاي شبه تک انرژي، تئوري شتاب الکترون درحباب کروي توسطپخُف و همکاران[11] ارائه گردیده است.
مطالعات و مقایسه نتایج آزمایشات وشبیه سازي با نتایج این تئوري نشان دهنده کاستی ها ومغایرت هایی در رژیم شتاب الکترون با الگو کروي می باشد که ازآن جمله شکل حباب و پخش شدگی انرژي به هنگام کشیدگی حباب می باشد. بر این اساس، این مطالعه با هدف تعیین روش پاسخگو جهت تولید الکترون هاي شبه تک انرژي در برهمکنش لیزر با پلاسما طراحی وانجام گرفت. در بخش تئوري با ارائه الگو جدید رژیم شتاب دهی حباب بیضی شکل، نشان داده می شود که کیفیت باریکه الکترونی حاصل به مراتب داراي پخش شدگی کمتر نسبت به رژیم حباب کروي می باشد. در بخش عملی، با استفاده از نتایج حاصل از محاسبات مربوط به الگو حباب بیضی شکل، باریکه الکترون تک انرژي به دست آمد.
-2 شتاب الکترون در حفره
براي اولین بار در سال2002 ، با کمک شبیه سازي سه بعدي ذره در جعبه - PIC - ، پخف و میِیر- تر-ِون [12]، رژیم جدید تک حفره اي - رژیم شدیداً غیرخطی همراه با شکست موج - ، که شتاب دهی میدان دنباله اي لیزري را در شرایط شدت هاي بالاي نسبیتی لیزر - a 0 1 - براي پالس لیزرکوتاه تر از طول موج پلاسما توصیف می نمود، مشاهده نمودند. الکترون هاي زمینه، به صورت پیوسته دراین تک حفره، به دام افتاده وشتاب می گرفتند. این شبیه سازي تولید دسته هاي الکترونی تک انرژي فوق کوتاهی بالاي آستانه شکست موج، با پالس لیزري فقط چند سیکل کوتاه تر از طول موج پلاسما را نشان می داد.
آنها رژیم جدیدي را که به شکل تک حفره اي بود معرفی کردند[13]، که به صورت پیوسته الکترون هاي زمینه را به دام انداخته وشتاب می دادند. در رژیم حباب، شدت پالس لیزر به حدي میباشد که موج پلاسما قبل از اولین نوسان میشکند وحبابی تولید میشود. این رژیم داراي خصوصیاتی به شرح ذیل می باشد که روش هاي معمول فاقد آن هستند: در این شرایط پشت پالس لیزر بجاي نوسان موج پلاسما، حبابی فاقد الکترون هاي سرد شکل می گیرد. توده اي از الکترون هاي نسبیتی تک انرژي بصورت خود - تولیدي، در این حباب ایجاد می شوند.پالس لیزر خیلی بیشتر از طول رالی1 در پلاسماي همگن بدون پخش شدگی چشمگیري انتشار می یابد.
در این راستا پخف[11] و همکاران جهت محاسبه انرژي الکترون به دام افتاده، تئوري شتاب الکترون ها توسط حباب کروي را ارائه کردند. دراین الگو، نتایج، نشان دهنده وجود میدان طولی وعرضی داخل حفره کروي است و با استفاده از معادلات هامیلتونین وحل معادلات حرکت براي شرایط پیش فرض حفره به شکل کره اي به شعاع R ، شرایط به دام اندازي الکترون و انرژي بیشینه الکترون درمرکز کره محاسبه می شود. در مقایسه نتایج شبیه سازي سه بعدي و نتایج عملی با نتایج تئوري این الگو، تفاوت هایی مشاهده می شود که ارائه دهندگان این الگو صراحتا علت این مغایرت را به دلیل تقریب شکل حفره بیضوي به کره اعلام نموده اند.[11] انرژي بیشینه الکترون از رابطه محاسبه می شود و c سرعت نور میباشد .[14]
-1-2 ارائه الگو جدید شتابدهی درحفره هاي
بیضی شکل
بر اساس معادلات اولیه ماکسول، و معادلات حرکت الکترون در سیال پلاسما [15] در این تحقیق ما نشان دادهایم که مسیر حرکت الکترون هاي پلاسما به نحوي است که شکل حباب شتابدهنده در شرایطی خاص بیضی میباشد - شکل . - 1در این مطالعه، با استفاده از روابط هامیلتونین براي حفره مذکور، بیشینه انرژي الکترون به دام افتاده بدست آمد مقایسه معادلات بیشینه انرژي الگو کروي و الگو بیضی شکل ارائه شده در این تحقیق، نشان میدهد که در الگو بیضی شکل، در جهت انتشار لیزر، کشیدگی حفره تاثیري کمتري برطیف انرژي الکترون داشته و لذا انرژي دسته الکترونی تغییرات زیادي نداشته و داراي پخش شدگی کم تر نسبت به الگو کروي - شکل - 2 میباشد. لذا می توان نتیجه گرفت این الگو نتیجه بهتري براي الکترونهاي شبه-تک انرژي میدهد.[16-19]
-2-2 تولید باریکه الکترونی شبه تک انرژي
چیدمان تجهیزات در داخل محفظه برخورد، در آزمایشات عملی صورت گرفته با استفاده از یک لیزر بیست تراواتی با دوام زمانی سی فمتوثانیه، درشکل 3 نشان داده شده استدر این مرحله، با استفاده از نتایج حاصل از محاسبات مربوط به پایداري حباب ونیز الگو حباب بیضی شکل، شرایط خاص تمرکز لیزر بر روي پلاسماي گاز هلیم بدست آمده و باریکههاي الکترونی شبه تک انرژي به دست آمد[20-21] - شکل . - 4 دراین روش از آشکارسازي الکترون با صفحات تصویر برداري - - IP استفاده گردید.
