نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده‌ی فوتونیک و فناوری‌های کوانتومی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 14155-1339، تهران ـ ایران

2 گروه فیزیک، دانشگاه تربیت مدرس، صندوق پستی: 111-14115، تهران ـ ایران

10.24200/nst.2020.1142

چکیده

شتاب‌­دهی ذرات باردار پر انرژی از مهم‌­ترین کاربردهای اندرکنش لیزرهای پرتوان با پلاسما می‌­باشد. با استفاده از هدف با چگالی‌­های نزدیک به چگالی بحرانی، به ­دلیل همبستگی بیش‌تر لیزر با پلاسما، انرژی منتقل شده از لیزر به پلاسما افزایش می‌­یابد. امروزه به ­دلیل ساخت هدف‌­های با ساختار فومی با چگالی نزدیک به چگالی بحرانی، امکان استفاده از این نوع هدف‌­های شتاب­‌دهی جهت مطالعه هرچه بیش‌تر فرایند شتاب‌­دهی ذرات در چگالی­‌های نزدیک به چگالی بحرانی فراهم شده است. در این پژوهش با استفاده از روش شبیه‌­سازی ذره در جعبه، شکل واقعی ساختار اهداف فومی به­ منظور مطالعه دقیق‌­تر اندرکنش لیزر با هدف مورد بررسی قرار گرفته است و حالت بهینه برای فوم متخلخل از نظر ابعاد و فواصل بین حفره ها بر مبنای بیشینه‌­ی انرژی پروتون­‌های تولید شده پس از اتمام تپ لیزر، پیشنهاد شده است. بر اساس این مطالعات، برای فوم با چگالی 6/3 برابر چگالی بحرانی و ضخامت μm 16، وجود حفره­‌هایی به قطر μm 5/0 و فواصل بین مراکز حفره­ای μm 5/1 منجر به تولید پروتون‌­هایی با بیشینه انرژی MeV 40 می‌‎­شود. در صورتی‌­که حفره‌­ها از حالت بهینه خارج شوند، کاهش انرژی بیشینه­ 20 درصدی برای پروتون‌­ها نسبت به فوم بدون تخلخل مشاهده خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Studying and surveying proton acceleration in high power laser interaction with foam targets

نویسندگان [English]

  • R. Goodarzi 1
  • E. Yazdani 2

1 1. Photonics and Quantum Technology Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 1339-14155, Tehran - Iran

2 Department of Physics, Tarbiat Modares University, P.O.Box: 14115-111, Tehran – Iran

چکیده [English]

Acceleration of high energy charged particles is one of the most important applications of high-power lasers interaction with plasma. Using targets with densities close to critical densities, because of better laser-plasma coupling, the transferred energy from the laser to plasma will be increased. Today, due to the construction of foam-structured targets, with a density close to critical density, it is possible to use such targets in order to study more about the acceleration process of particles with densities close to the critical density. In this paper, using particle simulation in a cell, a realistic form of foam structure of laser interaction with targets has been studied in more detail. The optimal state for porous foam in terms of dimensions and distances between holes is proposed based on the maximum energy of the protons produced after the laser pulse is completed and it is found out that for a foam with a density of 3.6 critical density and 16-micrometer length, the existence of holes with 0.5-micrometer radius and 1.5-micrometers for the distance between the centers can produce protons with 40 MeV energy but if the holes are not in proper conditions, protons’ maximum energy will be decreased about 20 percent relative to the condition without porous foam.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Laser
  • Plasma
  • Near-critical density
  • Foam
  • Proton

1. A. Macchi, M. Borghesi, M. Passoni, Ion acceleration by superintense laser-plasma interaction, Reviews of Modern Physics, 85(2), 751 (2013).

 

2. S.C. Wilks, et al, Energetic proton generation in ultra-intense laser–solid interactions, Physics of Plasmas (1994-present), 8(2), 542-549 (2001).

 

3. A. Macchi, et al, Radiation pressure acceleration of ultrathin foils, New Journal of Physics, 12(4), 045013 (2010).

 

4. L.O. Silva, et al, Proton shock acceleration in laser-plasma interactions, Physical Review Letters, 92(1),  015002 (2004).

 

5. B.M. Hegelich, et al, Spectral properties of laser-accelerated mid-ZMeV∕ u ion beamsa, Physics of Plasmas (1994-present), 12(5), 056314 (2005).

 

6. I. Prencipe, et al, Development of foam-based layered targets for laser-driven ion beam production, Plasma Physics and Controlled Fusion, 58(3), 034019 (2016).

 

7. I.J. Kim, et al, Transition of proton energy scaling using an ultrathin target irradiated by linearly polarized femtosecond laser pulses, Physical Review Letters, 111(16), 165003 (2013).

 

8. S. Buffechoux, et al, Hot electrons transverse refluxing in ultraintense laser-solid interactions, Physical Review Letters, 105(1), 015005 (2010).

 

9. D. Margarone, et al, Laser-driven high-energy proton beam with homogeneous spatial profile from a nanosphere target, Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams, 18(7), 071304 (2015).

 

10. T. Ceccotti, et al, Proton acceleration with high-intensity ultrahigh-contrast laser pulses, Physical Review Letters, 99(18), 185002 (2007).

 

11. J.H. Bin, et al, Ion acceleration using relativistic pulse shaping in near-critical-density plasmas (2015), Physical Review Letters, 115(6), 064801 (2015).

 

12. T. Nakamura, et al, Interaction of high contrast laser pulse with foam-attached target, Physics of Plasmas (1994-present), 17(11), 113107 (2010).

 

13. A. Sgattoni, et al, Laser ion acceleration using a solid target coupled with a low-density layer, Physical Review E, 85(3), 036405 (2012).

 

14. M. Borghesi, et al, Relativistic channeling of a picosecond laser pulse in a near-critical preformed plasma, Physical Review Letters, 78(5), 879 (1997).

 

15. M. Passoni, et al, Energetic ions at moderate laser intensities using foam-based multi-layered targets, Plasma Physics and Controlled Fusion, 56 (4), 045001 (2014).

 

16. D.V. Romanov, et al, Self-Organization of a Plasma due to 3D Evolution of the Weibel Instability, Physical Review Letters, 93(21), 215004 (2004).

 

17. A. Pukhov, J. Meyer-ter-Vehn, Relativistic magnetic self-channeling of light in near-critical plasma: three-dimensional particle-in-cell simulation, Physical Review Letters, 76(21), 3975 (1996).

 

18. P. Mulser, D. Bauer, High power laser-matter interaction.