شبیه سازی ذره ای شتاب دادن الکترون ها در پلاسمای کم چگال

یکی از پدیده هایی که در برهم کنش 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، می توان یک الکترون را تا انرژی های بالا، بیش از1tw ، شتاب داد. این روش شتاب دادن الکترون ها توسط پالس لیزر کوتاه و پر شدت به lwfa (laser wakefield accelerator) معروف است. هنگامی که پالس نور از پلاسما عبور می کند، جدایش باری که از این جا به جایی به وجود می آید، الکترون ها را به عقب پس می راند و نوسان پلاسما تولید می شود. موج دنباله که با سرعت فاز نزدیک به سرعت نور منتشر می شود، می تواند الکترون ها را به دام بیندازد. در شتاب دهنده های lwfa نیروی گرانروی نقش بسیار مهمی را ایفا می کند. از آن جایی که موج الکترومغناطیسی که در یک پلاسمای کم چگال منتشر می شود، دارای سرعت گروهی کمتر از سرعت نور است و بنابراین پتانسیل گرانروی ناشی از پالس لیزر با زمان صعود متناهی می تواند الکترون ها را به دام انداخته و تا انرژی های بسیار بالا شتاب دهد. در این مقاله، به بررسی شبیه سازی ذره در جعبه (particle in cell) دو بعدی الکترومغناطیسی تولید موج دنباله (wakefield) و شتاب دادن الکترون ها توسط پالس لیزر کوتاه و پر شدت در پلاسمای کم چگال می پردازیم. 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 شبیه سازی 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 الکترون ها در اثر عبور این پالس قوی شبیه سازی 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، ضعیف تر می باشد، و الکترون ها انرژی کمتری دریافت می کنند. در مورد پالس نامتقارن، زمانی که ناحیه جلوی پالس دارای زمان صعود کوچکتری نسبت به ناحیه عقب پالس است، موج دنباله قوی تری در پلاسما، در پشت پالس، تولید می گردد، و الکترون ها انرژی بیشتری دریافت می کنند. 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 می گردد و نسبت به حالت قبل، الکترون ها انرژی کمتری می گیرند.