بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله چگونگی شتابدهی ذرات باردار در برهمکنش پالس لیزر پرتوان با محیط چگال را، با استفاده از کد محاسباتی دو بعدی ذره در جعبه - - شبیهسازی میکنیم. در این شبیهسازی یک پالس لیزر قطبیدهی خطی با شدتی برابر با 5 × 1020 را بر هدف جامد آلومینیوم با ضخامت 400 نانومتر تاباندیم و تابع توزیع چگالی گونه های موجود در شبیه سازی، و همچنین میدانهای الکتریکی ایجاد شده در هدف را بهدست آوردیم.
مقدمه
با توجه به محدودیتهایی که شتابدهندههای خطی دارند و بهدنبال اختراع لیزرهایی از مرتبهی پتاوات - [2,1] - 1015W، شتابدهندههای هستهای - بر پایهی برهمکنش لیزر- پلاسما - دردههی گذشته بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. در این نوع شتابدهندهها، ابتدا پالس لیزر پرتوان به هدف برخورد میکند، هدف به سرعت یونیده شده و به پلاسما تبدیل می شود. در اثرجدایی بار، میدان الکتریکی بسیار قوی از مرتبهی 1012 vm داخل پلاسما ایجاد میشود که اساس شتابدهی ذرات در این نوع شتابدهندهها است. الکترونها و یونهای شتاب داده شده در شتابدهندههای هسته ای در زمینههای مختلفی مانند همجوشی به روش اشتعال سریع و پزشکی کاربرد دارند. تولید و شتاب یونهابا استفاده از تابش لیزر پرتوان به ورقههای نازک هدف، در طول منتشر شده، به خصوص پروتونها، شامل تعداد زیادی ذره - 1010 − 1013 - با انرژیهای در حد MeV هستند. تا کنون چندین روش مختلف مانند شتابدهی فشار تابشی 1 - RPA - و شتابدهیغلاف عمودی هدف [3]2 - TNSA - برای شتابدادن یون ارائه شدهاست.
شتابدهی فشار تابشی
در صورتیکه شدت تابش لیزر بسیار بالا باشد، فشار تابشی پالس لیزر میتواند یکی از روشهای شتابدهی ذرات باردار باشد. در شتابدهی تابشی نیروی پاندرماتیو3 که با عکس جرم متناسباست و از رابطهی زیر بهدست میآید، بر روی الکترونها اثرمیگذارد:
در رابطهی فوق ω فرکانس زاویهای پالس لیزر، me جرم الکترون و ne چگالی الکترونی میباشد.[4] با ورود پالس لیزر به داخل پلاسما، الکترونها تحت تأثیر میدان الکتریکی موج ورودی نوسان میکنند و یونها به دلیل لختی فرصت پاسخگویی به این نوسانها را ندارند. بنابراین جدایی بار بین یونها و الکترونها منجر به بهوجود آمدن یک میدان الکتریکی اختلالی میشود که با فرکانسیبرابر با فرکانس موج فرودی نوسان میکند. زنش ایجاد شده بین این میدان اختلالی و میدان الکتریکی موج فرودی سبب به وجود آمدن یک نایکنواختی فضایی در دامنهی میدان الکتریکی برآیند میشود و در نتیجه یک نیروی پاندرماتیو ناشی از این نایکنواختی الکترونها را تحت تأثیر قرار می دهد و سبب رانش آنها میشود.
جملهی گرادیان 〈E2〉 ناشی از زنش ایجاد شده بین میدان الکتریکی موج ورودی و میدان اختلالی ناشی از جدایی بارهامیباشد. در شتابدهی فشار تابشی با توجه به ضخامت هدف دو روش شتابدهی در نظر گرفته میشود: روش بادبان نوری4، برای این تغییر شکل سبب نفوذ پالس لیزر به قسمتهای داخلی هدف میشود، این فرایند را حفر سوراخ مینامند. هدفهای نازک، و روش حفر سوراخ5، برای هدفهای نسبتاً ضخیم. هنگامیکه یک پالس لیزر با شدت بسیار زیاد با یک ورقهی نازک برخورد کند، فشار تابشی سبب هل دادن الکترونها به سمت جلو میگردد و چون یونها آهستهتر حرکت میکنند یک میدان الکتریکی قوی ناشی از جدایی بار، درون هدف ایجاد میشود. در مرحلهی بعد، فشار تابشی لیزر نسبیتی یک تغییر شکل سهمیوار در سطح پلاسما ایجاد میکند.
نیروی پاندرماتیو منجر به تغییرات موضعی شدت الکترونی پلاسمامیشود. این امر، خواص نوری پلاسما را مطابق با معادلهی فرکانس پلاسما q2σ 2 و ضریب شکست پلاسما
- ne - n = √1 − در مناطقی که پالس لیزر حضور دارد، تغییر میدهد. به دنبال آن، انتشار پالس لیزر و در نهایت شکل خود پالس لیزر تغییر میکند. این برهمکنش متقابل منجر به اثراتی از جمله خودکانونی میشود. ابتدا باریکهای از لیزر با قطر معین، موجب بروز نیروی پاندرماتیو در امتداد شعاعی میشود. این نیرو پلاسما را به طرف خارج باریکه میراند، به طوریکه ωp کوچکتر شده و ثابت دیالکتریک در داخل باریکه بزرگتر از خارج آن میشود. در نتیجه، پلاسما به عنوان یک عدسی همگراعمل کرده و قطر باریکه را به مقدار کوچکی کاهش میدهد. خودکانونی ناشی از تغییرات ضریب شکست است، به گونهای که در مناطقی با شدت بالا، ضریب شکست افزایش مییابد. خودکانونی وقتی اتفاق میافتد که توان پالس لیزر بیشتر از حدزیر شود:[5]
شبیهسازی ذره در جعبه - 6 - PIC
در این روش، ذرات در فضای پیوستهی مکان و سرعت، و میدانهادر فضای گسستهی مکان تعریف میشوند. به هر حال، هم میدانو هم ذرات در فضای گسستهی زمان نیز تعریف میشوند. مقادیرمربوط به ذرات و میدانها بهصورت پیدرپی در زمان با شروع ازوضعیت اولیه جلو میروند.کد 7XOOPIC نیز یک کد شبیه سازی ذره در جعبهی دو بعدیمیباشد که در دو مختصات صفحهای و استوانهای میتواندمیدانهای الکترواستاتیک و الکترومغناطیسی را حل کند.شبیهسازی کد XOOPIC توسط گروه PTSG در دانشگاه برکلی کالیفرنیا در سال 1998 انجام شد. نرم افزار XOOPIC قادر به شبیهسازی سیستمهای فیزیکی شامل پلاسما، باریکهی ذرات باردار، میدانهای الکتریکی و مغناطیسی خارجی، و طیفگستردهای از شرایط مرزی میباشد.[5]
شبیهسازی برهمکنش پالس لیزر با هدف جامد آلومینیوم با استفاده از برنامهی XOOPICمحیط در نظر گرفته شده در این شبیهسازی جعبهای مربعی شکلبه ابعاد 25/6 میکرومتر میباشد، به گونهای که در هر دو راستای x و y دارای 512 سلول است، بنابراین طول هر سلول برابر 0/05میکرومتر می باشد. درون هر سلول 18 ماکروذره قرار میدهیم. یکپالس لیزر دارای قطبش خطی و با شدت I = 5 × 1020 Wcm2 وطول پالس 30 فمتوثانیه و طول موج 0/8 میکرومتر در نظرمیگیریم. هدف شبیهسازی شده، صفحهای با ضخامت 400 نانومترو طول 25/6 میکرومتر می باشد که در مکان 8λ از مرز سمت چپ جعبهی شبیهسازی گذاشته شده است.
هدف شامل الکترونهاو یونهای آلومینیوم میباشد. چگالی الکترونی را تقریباً برابر با4nc فرض کرده ایم. nc معرف چگالی بحرانی و برابر با1/718 × 1021cm−3 میباشد. گام زمانی لحاظ شده در شبیهسازیdt = 0/11 × 10−15 - s - میباشد.با اجرای برنامه مشاهده می کنیم که جبههی موج پالس لیزر در زمان t = 2/156 × 10−14 - s - به هدف میرسد و انرژی خودرا به الکترونهای هدف منتقل میکند. همانطور که در شکل 2دیده میشود، با برخورد پالس لیزر به مرز سمت چپ هدف،نیروی پاندرماتیو ناشی از میدانهای غیریکنواخت پالس لیزر، باعث میشود الکترونها به سمت داخل هدف حرکت کنند و بنابراین فرآیند حفر چاه انجام میشود. در گام زمانی 500، به دلیلجدایی بار یک میدان الکتریکی قوی در هدف ایجاد میشود کهسبب شتابدهی یونها میشود.
اغلب این یونها نیز به داخل یک لایهی فشرده با چگالی بالا نزدیک سطح عقب هدف رانده میشوند. لازم به ذکر است که به دلیل نازک بودن هدف، پلاسما به سمت داخل متراکم میشود و حفر چاه به سرعت انجام میشود و به سطح عقب هدف میرسد و به درون خلأ گسترش می یابد.حال به بررسی میدانهای الکتریکی ایجاد شده در شبیهسازی میپردازیم. در گام زمانی 500 مشاهده میکنیم که درانتهای هدفمیدان الکتریکی قویای به علت تراکم بالای چگالی، در راستای xایجاد شده است. بیشینه مقدار میدان الکتریکی ایجاد شده درراستای x در این گام زمانی برابر با 16/32 mTV میباشد، که این
