نویسندگان

دانشگاه الزهرا

چکیده

یکی از پدیده‌هایی که در برهم‌کنش لیزر-پلاسما، زمانی که توان لیزر به اندازه کافی قوی باشد، قابل مشاهده است، تولید امواج دنباله پلاسما با دامنه بزرگ و با سرعت فاز نزدیک به سرعت نور است. با استفاده از این امواج پلاسما، که در واقع یک اختلال چگالی الکترونی پلاسماست، می‌توان یک الکترون را تا انرژی‌های بالا، بیش از1TW ، شتاب داد. این روش شتاب دادن الکترون‌ها توسط پالس لیزر کوتاه و پر شدت به LWFA (Laser WakeField Accelerator) معروف است. هنگامی که پالس نور از پلاسما عبور می‌کند، جدایش باری که از این جا به جایی به وجود می‌آید، الکترون‌ها را به عقب پس می‌راند و نوسان پلاسما تولید می‌شود. موج دنباله که با سرعت فاز نزدیک به سرعت نور منتشر می‌شود، می‌تواند الکترون‌ها را به دام بیندازد. در شتاب دهنده‌های LWFA نیروی گرانروی نقش بسیار مهمی را ایفا می‌کند. از آن جایی که موج الکترومغناطیسی که در یک پلاسمای کم چگال منتشر می‌شود، دارای سرعت گروهی کمتر از سرعت نور است و بنابراین پتانسیل گرانروی ناشی از پالس لیزر با زمان صعود متناهی می‌تواند الکترون‌ها را به دام انداخته و تا انرژی‌های بسیار بالا شتاب دهد. در این مقاله، به بررسی شبیه‌سازی ذره در جعبه (Particle In Cell) دو بعدی الکترومغناطیسی تولید موج دنباله (WakeField) و شتاب دادن الکترون‌ها توسط پالس لیزر کوتاه و پر شدت در پلاسمای کم چگال می‌پردازیم. با استفاده از کد دو بعدی الکترومغناطیسی که با زبان برنامه نویسی فورترن 90 نوشته شده است، چگونگی انتشار امواج الکترومغناطیسی با اشکال مختلف در خلأ و پلاسما شبیه‌سازی شد. پس از اطمینان از صحت عملکرد کد دو بعدی الکترومغناطیسی، در نهایت این کد را نسبیتی کرده و پدیده تولید امواج دنباله پلاسما در پشت پالس فرودی و شتاب گرفتن الکترون‌ها در اثر عبور این پالس قوی شبیه‌سازی شد. مشاهده شد که در اثر عبور پالس الکترومغناطیسی متقارن، میدان طولی تولید شده در پلاسما، در پشت پالس، نسبت به حالتی که پالس فرودی نامتفارن باشد، ضعیف‌تر می‌باشد، و الکترون‌ها انرژی کمتری دریافت می‌کنند. در مورد پالس نامتقارن، زمانی که ناحیه جلوی پالس دارای زمان صعود کوچکتری نسبت به ناحیه عقب پالس است، موج دنباله قوی‌تری در پلاسما، در پشت پالس، تولید می‌گردد، و الکترون‌ها انرژی بیشتری دریافت می‌کنند. به عکس هنگامی که زمان صعود ناحیه جلوی پالس بزرگتر از ناحیه عقب پالس باشد، موج دنباله ضعیف تری در پلاسما، در پشت پالس، تولید می‌گردد و نسبت به حالت قبل، الکترون‌ها انرژی کمتری می‌گیرند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

PIC simulation of electron acceleration in an underdense plasma

نویسندگان [English]

  • S Darvish Molla
  • M Chaboksavar
  • M Jamshidi
  • MR Rouhani
  • H Hakimipajouh

چکیده [English]

One of the interesting Laser-Plasma phenomena, when the laser power is high and ultra intense, is the generation of large amplitude plasma waves (Wakefield) and electron acceleration. An intense electromagnetic laser pulse can create plasma oscillations through the action of the nonlinear pondermotive force. electrons trapped in the wake can be accelerated to high energies, more than 1 TW. Of the wide variety of methods for generating a regular electric field in plasmas with strong laser radiation, the most attractive one at the present time is the scheme of the Laser Wake Field Accelerator (LWFA). In this method, a strong Langmuir wave is excited in the plasma. In such a wave, electrons are trapped and can acquire relativistic energies, accelerated to high energies. In this paper the PIC simulation of wakefield generation and electron acceleration in an underdense plasma with a short ultra intense laser pulse is discussed. 2D electromagnetic PIC code is written by FORTRAN 90, are developed, and the propagation of different electromagnetic waves in vacuum and plasma is shown. Next, the accuracy of implementation of 2D electromagnetic code is verified, making it relativistic and simulating the generating of wakefield and electron acceleration in an underdense plasma. It is shown that when a symmetric electromagnetic pulse passes through the plasma, the longitudinal field generated in plasma, at the back of the pulse, is weaker than the one due to an asymmetric electromagnetic pulse, and thus the electrons acquire less energy. About the asymmetric pulse, when front part of the pulse has smaller time rise than the back part of the pulse, a stronger wakefield generates, in plasma, at the back of the pulse, and consequently the electrons acquire more energy. In an inverse case, when the rise time of the back part of the pulse is bigger in comparison with that of the back part, a weaker wakefield generates and this leads to the fact that the electrons acquire less energy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • particle in cell simulation
  • overdense and underdense plasma
  • wakefield
  • electron acceleration
  • accelerators

تحت نظارت وف بومی