شبیه سازی ذره ای شتاب گرفتن الکترون ها و تولید امواج دنباله در پلاسما

سحر درویش ملا

چکیده

یکی از پدیده هایی که در برهمکنش لیزر-پلاسما، زمانی که توان لیزر به اندازه کافی قوی باشد، قابل مشاهده است، تولید امواج دنباله پلاسما با دامنه بزرگ وبا سرعت فاز نزدیک به سرعت نور است. با استفاده از این امواج پلاسما، که در واقع یک اختلال چگالی الکترون پلاسماست، می توان یک الکترون را تا انرژی های بالا، بیش از 1 tw ، شتاب داد. این روش شتاب دادن الکترون ها توسط پالس لیزر کوتاه و پر شدت به lwfa 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 می دهد 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 گرانرو 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 پایان نامه، 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 یک بعدی الکتروستاتیکی که با زبان برنامه نویسی فورترن 90 نوشته شد، دو پدیده ناپایداری دو جریانی و میرایی لاندوا غیر خطی در پلاسما شبیه سازی گردید. سپس با استفاده از کد دو بعدی الکترومغناطیسی 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 و شتاب دادن الکترون ها شبیه سازی شد که نتایج آن ارائه خواهد گردید.

اساتید راهنما و مشاور

محمودرضا روحانی، حسین حکیمی پژوه، سحر درویش ملا