بخشی از مقاله
چکیده - برای دستیابی به لیزرهای پرتو ایکس نرم با ضرایب بهره بالا تولید شده به کمک لیزرهای اپتیکی پرتوان، تنظیم پارامترهای لیزر دمش نقش بسزایی دارد. از این رو، در این پژوهش با استفاده از کد هیدرودینامیکی MED103 و همچنین تنظیم پارامترهای لیزر ورودی که عبارتند از چند پالسی بودن، پهنای پالس، طول موج، شدت و فاصله زمانی میان پالس ها، پارامترهای هیدرودینامیکی و میزان یونش محیط فعال پلاسمایی ژرمانیوم شبهنئون محاسبه شده است. سپس با استفاده از پارامترهای هیدرودینامیکی و میزان یونش، به حل معادلات نرخ پایا برای محاسبه ضریب بهره محیط فعال پرداخته شده است.
-1 مقدمه
تولید پرتوهای ایکس نرم به کمک پالس های اپتیکی بسیار کوتاه و پرتوان فمتو و پیکو ثانیه ای از اهمیت فراوانی برخوردار است. کوتاه ترین طول موج ها و بالاترین شدت خروجی برای لیزرهای پرتو ایکس نرم با استفاده از محیط فعال پلاسمایی تولید شده به کمک لیزر های اپتیکی پرتوان پدید می آیند .[1] در این روش ابتدا باریکه اپتیکی در ناحیه مرئی بر روی هدف متمرکز و محیط پلاسما ایجاد می شود. پس از آن، انبوهی وارون ترازهای گذار با برخورد الکترون های آزاد که الکترون های مقید را به ترازهای شبه پایدار در یون های شبه نیکل یا شبه نئون می برند، تولید و فعالیت لیزر پرتو ایکس نرم به صورت گسیل خودبخودی تقویت شده - ASE - به وجود می آید. شکل1 طرحی از لیزر پرتو ایکس را نشان می دهد.
لیزرهای پرتو ایکس نرم کاربردهای بسیاری در زمینه صنعت و پزشکی در حوزه میکروسکپی، هولوگرافی و لیتوگرافی دارند.[2] اولین تجربه برای تولید لیزر پرتو ایکس نرم به استفاده از سلنیم 24 بار یونیده - Se24+ - به عنوان محیط فعال باز می گردد.[3] در چنین تجربه هاییغالباً امکان اندازهگیری تعداد نقاط محدودی وجود دارد. لذا درک بهتر نتایج تجربی و پیشبینی رفتار محیط بهره نیازمند شبیهسازی های عددی است.
در پژوهش حاضر با استفاده از کد هیدرودینامیکی [4] MED103 ابتدا پارامترهای ماکروسکوپیک پلاسما در برهمکنش دو پالس لیزر با سطح هدف ژرمانیوم با استفاده از رهیافت سیالی شبیهسازی شده، سپس برای محاسبه برانگیختگی ها و میانگین حالت یونش از معادلات نرخ وابسته به زمان استفاده می شود. در نهایت با حل عددی معادلات نرخ پایا به محاسبه ضریب بهره محیط فعال می پردازیم.
-2 ماده هدف و لیزر دمش
گسیل لیزر پرتو ایکس از پلاسما در نتیجه ایجاد انبوهی وارون میان دو تراز اتمی با جدایی انرژی مشخص صورت می گیرد. یک روش برای ایجاد این انبوهی وارون، دمش به وسیله برانگیختگی برخوردی است. اکثر لیزرهای پرتو ایکس نرم با استفاده از این مکانیسم دمش تولید شده است. با این حال تکنیک های متفاوتی برای تولید پلاسما مورد استفاده قرار گرفته است که یکی از آن ها دمش گذرا می باشد. این روش شامل دو پالس دمش 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 eV گرم می کند. در نتیجه شرایط لازم برای دمش یون های فعال لیزر به وسیله برانگیختگی برخوردی آماده می شود. در پژوهش حاضر یون ژرمانیوم شبه نئون و مدل سه ترازی برای حل معادلات نرخ استفاده شده است. ژرمانیوم دارای عدد اتمی 32 و یون شبه نئون آن دارای 22 بار یونیده است. در واقع بهره نوری از گذار میان ترازهای 2p53p و 2p53s در یونهای شبه نئون حاصل می شود.
-3 روش محاسباتی
در برهمکنش لیزر پرشدت پالس کوتاه با ماده از سه مدل ذره ای، جنبشی و سیالی استفاده می شود .[5] در مدل سیالی معادلات بقای جرم، تکانه و انرژی مورد استفاده قرار می گیرند. در توصیف هیدرودینامیکی، 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 میکند.
ابزار اصلی شبیه سازی در این پژوهش کد MED103 است که یک کد لاگرانژی یک بعدی می باشد .[4] این کد با حل خودسازگار معادلات هیدرودینامیکی، برانگیختگی و یونش پلاسمای لیزری و با در نظر گرفتن فرآیندهای اتمی و معادلات انرژی الکترون آزاد به بررسی محیط فعال پلاسمای لیزری می پردازد. برای حل این معادلات لازم است تا توان و طول موج لیزر فرودی و همچنین ابعاد، جنس و فشار داخل ماده هدف معلوم باشد.
بنابراین با استفاده از کد هیدرودینامیکی می توانیم پارامترهای هیدرودینامیکی را با تغییر خصوصیات لیزر فرودی و یا ماده هدف برای رسیدن به تقویت مناسب برای لیزر پرتو ایکس نرم به دست آورد. پس از به دست آوردن پارامترهای هیدرودینامیکی با استفاده از کد MED103، به بررسی رفتار ضریب بهره محیط پلاسمایی با استفاده از معادلات نرخ مدل سه ترازی می پردازیم. انبوهی ترازها در حالت شبه ایستا با رابطه - 1 - داده می شود .[6]
در این تجربه محاسباتی ضخامت هدف 25 ʽm در نظر گرفته شده است. افزایش چگالی در محدوده 25 ʽm در شکل - 2الف نشان دهنده موج ضربه است. همانگونه که از شکل3 می بینیم در زمان بیشینه ضریب بهره، یون شبه نئون ژرمانیوم با 22 بار یونیده دارای انبوهی بیشتری است، زیرا این نمودار دارای یکنواختی در فاصله بیشتری برای یون ژرمانیوم 22 بار یونیده است.
