کتابخانه مرکزی
پایان نامه های سال 99: شتابدهی الکترون با استفاده از امواج ردپایی (Wakefield) در اندرکنش لیزرهای فمتوثانیه با تیغه نازک پلاسمایی
شتابدهی الکترون با استفاده از امواج ردپایی (Wakefield) در اندرکنش لیزرهای فمتوثانیه با تیغه نازک پلاسمایی

چکیده


در این پایان نامه تولید امواج ردپایی در پلاسما و شتابدهی الکترون ها در برهم کنش پالس لیزر فمتوثانیه با تیغه ی پلاسمای کم چگال را با استفاده از شبیه سازی عددی بررسی می کنیم. با توجه به آنکه در برهم کنش پالس لیزر شدت بالا با پلاسما برخوردهای میان ذرات قابل اغماض هستند، می توانیم از معادلات ماکسول- ولاسف نسبیتی برای مدل سازی این برهم کنش استفاده نماییم. معادله ی ولاسف بیانگر تحول سیستمی از ذرات باردار تحت تأثیر میدان های الکترومغناطیسی خارجی و خود سازگار است. حل عددی سیستم ماکسول-ولاسف نسبیتی را با استفاده از روش نیمه لاگرانژی رو به عقب ( (BSL ، که یکی از زیرمجموعه های روش های مبتنی بر شبکه ی فضای فاز است و سعی در بهره گیری از هر دو رهیافت اویلری و لاگرانژی دارد، انجام داده ایم. در این روش شبکه ی فضای فاز در زمان ثابت نگه داشته می شود (رهیافت اویلری) و از معادله ی ولاسف در امتداد منحنی های مشخصه اش (رهیافت لاگرانژی)، با استفاده از خاصیت ناوردایی تابع توزیع در امتداد این منحنی ها، انتگرال گیری می شود. این روش برخلاف کدهای PICعاری از نویز عددی بوده و قادر به ارائه ی توصیف دقیقی از فضای فاز، حتی در نواحی ای که فرآیندهای شتابدهی و به دام افتادن الکترون ها در آنجا رخ می دهد و چگالی تابع توزیع بسیار کم است، می باشد. یکی از مسائل مهم در شتابدهی الکترون ها توسط امواج ردپایی دستیابی به میدان های شتابدهی قوی است. با استفاده از کد BSLیک بعدی تولید شده عوامل مختلفی مانند چرپ فرکانس لیزر و اعمال میدان مغناطیسی ثابت خارجی، که سبب تقویت دامنه ی امواج ردپایی تولید شده در پلاسما می شوند، را بررسی می کنیم. تولید امواج ردپایی توسط پالس های لیزر با چرپ فرکانس مثبت، چرپ فرکانس منفی و بدون چرپ فرکانس در تیغه ی پلاسمای کم چگال را شبیه سازی نموده ایم. طبق شبیه سازی های انجام شده، پالس لیزر با چرپ فرکانس مثبت در مقایسه با پالس لیزر با چرپ فرکانس منفی تأثیر بیشتری در تقویت دامنه ی امواج ردپایی و افزایش متوسط انرژی جنبشی الکترونهای پلاسما دارد. تولید امواج ردپایی با استفاده از دنباله ای متشکل از دو پالس لیزر با شدت کمتر، که با فاصله ی زمانی برابر با عکس فرکانس الکترونی پلاسما وارد تیغه ی پلاسما می شوند، را با استفاده از کد BSLشبیه سازی نموده ایم. نتایج شبیه سازی نشانگر آن است که با استفاده از دنباله ای از پالس های لیزر با فاصله ی مناسب، شدت لازم برای دست یابی به امواج ردپایی با دامنه ی بلند کاهش می یابد. علاوه بر این از کد BSL یک بعدی برای بررسی تأثیر میدان مغناطیسی ثابت خارجی بر میدان های شتابدهی ردپایی تولید شده در پلاسما استفاده می کنیم. با توجه به نتایج شبیه سازی اعمال میدان مغناطیسی نقش مهمی در تولید امواج ردپایی دارد. اهمیت نقش میدان مغناطیسی وابسته به جهت میدان مغناطیسی اعمال شده نسبت به جهت انتشار پالس لیزر و قطبش پالس لیزر است که می تواند سبب تقویت و یا تضعیف امواج ردپایی در پلاسما شود.

کلید واژه ها: معادلات ماکسول-ولاسف نسبیتی، روش نیمه لاگرانژی، برهم کنش لیزر پلاسما، شتابدهی توسط امواج ردپایی، پالس لیزر چرپ شده، پالس لیزر فمتوثانیه، تیغه ی نازک پلاسما​



Electron Wakefield Acceleration in the Interaction of Femtosecond Laser Pulses with a Thin Plasma Slab

By: Seyede Narges Razavinia

Abstract


We use numerical simulation to investigate wakefield generation and electron acceleration in the interaction of femtosecond laser pulses with underdense plasma slab. Collisions between particles can be neglected in the interaction of ultra-intense laser pulse with plasma. Therefore, relativistic Maxwell-Vlasov equations could be used for modeling the interaction. Vlasov equation represents the evolution of charged particles under the influence of external and self-consistent electromagnetic fields. Relativistic Maxwell-Vlasov equations could be solved numerically using backward semi-lagrangian method (BSL), that is one of the phase space grid based methods for Vlasov equation and take advantage of both eulerian and lagrangian point of view. In this method, phase space grid is conserved in time (eulerian approach) and Vlasov equation is integrated along its characteristics (lagrangian approach) using conservation of distribution function along characteristics. Unlike PIC codes, this method is free of numerical noise and provides detailed description of phase space, even in very low density regions of phase space, where trapping and acceleration of electrons occurred there. Obtaining large amplitude accelerating fields is one of the main problems in laser wakefield acceleration. We have used one dimensional BSL code to study various factors, which are able to amplify the amplitude of wakefields in plasma, such as: frequency chirp of laser pulse and applying constant external magnetic field. We have simulated the wakefield generation by positively, negatively and chirp free laser pulses in underdense thin plasma slab. According to simulations, positively chirped laser pulse has large effect on the amplification of wakefields amplitude and increasing of mean kinetic energy of plasma electrons, compared with negatively chirped laser pulse. Wakefield generation by using multiple laser pulses, containing two laser pulses with lower intensity, which enter into the plasma slab by time intervals equal to the inverse of plasma frequency, have been simulated by BSL code. The simulation results indicate that, the required intensity to achieve large amplitude wakefields is reduced, by using multiple laser pulses wakefield acceleration. Moreover, we use one dimensional BSL code to investigate the effect of external constant magnetic field on accelerating wakefields which are generated in plasma. According to simulation results, applying external magnetic field has an important role in wakefield generation. The importance of magnetic field depends on the orientation of the magnetic field relative to laser pulse propagation direction and polarization of laser pulse, which causes amplification or attenuation of wakefields in plasma.


Key words: Relativistic Maxwell-Vlasov equations, Semi-Lagrangian method, Laser plasma interaction, Wakefield acceleration, Chirped laser pulse, Femto second laser pulse, Thin plasma slab
اداره کتابخانه مرکزی Top

Shahid Beheshti University,دانشگاه شهید بهشتی

دانشگاه شهید بهشتی

Shahid Beheshti University,دانشگاه شهید بهشتی

دانشگاه شهید بهشتی