فزایش شتاب‌دهی پروتون در برهم‌کنش پالس لیزر چِرپ شده با پلاسما

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسنده

1. پژوهشکده‌ی لیزر و اپتیک، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی 2. گروه فیزیک، دانشکده‌ی علوم پایه، دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

سازوکار شتاب­دهی پروتون از غلاف تشکیل شده در پشت هدف آلومینیم در برهم­کنش لیزر با قطبش P، با پهنای زمانی fs 40 < و شدت Wcm-2  3.6×1019به طور تجربی و شبیه­سازی مطالعه شده است.نتایج نشان دادند که انرژی ماکزیمم و هم­چنین تعداد پروتون­های شتاب گرفته با اِعمال چِرپ مثبت در مقایسه با حالت برهم­کنش بدون چِرپ و چِرپ منفی افزایش می­یابد. سپس فرایند گرم شدن الکترون­ها در برهم­کنش با پالس لیزر با چِرپ مثبت و منفی بررسی، و رابطه­ی بین پارامتر چِرپ و میدان الکترواستاتیکی تولید شده در پشت هدف مطالعه شده است. نتایج شبیه­سازی نشان دادند که در برهم­کنش لیزر با چِرپ مثبت در مقایسه با چِرپ منفی و حالت بدون چِرپ، فرایند گرم شدن الکترون­ها و هم­چنین میدان الکتریکی ایجاد شده به منظور شتاب­دهی پروتون­ها، افزایش چشم­گیری می­یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Proton Acceleration Enhancement in Frequency Chirped Laser Pulse Interaction with Plasma

نویسنده [English]

  • E Yazdani
چکیده [English]

Proton acceleration process by the generated sheath in the rear-side of an Al target in the interaction of P polarized laser with the pulses duration of  ≥40 fs and intensity of 3.6×1019 W cm-2 has been experimentally and  numerically studied. The results show that by employing the positively chirped pulse, the proton cut off energy and the number of the accelerated protons are increaesd in comparison with an unchirped and negatively chirped pulse interactions. After that, the electron heating process in interaction of positivly and negativly chirped  pulse is investigated and correlation between the chirped parameter and produced electrostatic field in the backside of the target is studied. Particle- in-cell simulation results show that the electron heating process and consequently the electrostatic field for proton acceleration goal are significantly increased by employing the positively chirped pulse campared to negativly unchirped conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Laser Plasma Interaction
  • Proton Acceleration
  • Simulation
  • Chirp

[1] W.P. Leemans, B. Nagler, A.J. Gonsalves Cs. Toth, K. Nakamura, C.G.R. Geddes, E. Esarey, C.B. Schroeder, M. Hooker, GeV electron beams from a centimetre-scale accelerator, Nat. Phys. 2 (2006) 696-699.

 

[2] M. Tabak, J. Hammer, M.E. Glinsky, W.L. Kruer, S.C. Wilks, J. Woodworth, E.M. Campbell, M.D. Perry, R.J. Mason, Ignition and high gain with ultrapowerful lasers, Phys. Plasmas. 1 (1994) 1626; M. Roth, T.E. Cowan, M.H. Key, S.P. Hatchett, C. Brown, W. Fountain, J. Johnson, D.M. Pennington, R.A. Snavely, S.C. Wilks, K. Yasuike, H. Ruhl, F. Pegoraro, S.V. Bulanov, E.M. Campbell, M.D. Perry, H. Powell, Fast Ignition by Intense Laser-Accelerated Proton Beams, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 436- 439.

 

[3] I. Spencer, K.W.D. Ledingham, R.P. Singhai, T. McCanny, P. McKenna, E.L. Clark, K. Krushelnick, M. Zepf, F.N. Beg, M. Tatarakis, A.E. Dangor, P.A. Norreys, R.J. Clarke, R.M. Allott, I.N. Ross, Experimental study of proton emission from 60-fs, 200-mJ high-repetition-rate tabletop-laser pulses interacting with solid targets, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 183 (2001) 449.

 

[4] T. Tajima, Therapy Rad. Oncol , J. Jpn. Soc. 9, 83 (1998); S.V. Bulanov and V.S. Khoroshkov, Feasibility of using laser ion accelerators in proton therapy, Plasma Phys. Rep. 28 (2002) 453.

 

[5] P. Mora, Plasma Expansion into a Vacuum, Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 185002; M. Passoni and M. Lontano, Theory of light-ion acceleration driven by a strong charge separation ibid. 101 (2008) 115001.

 

[6] L.O. Silva, M. Marti, J.R. Davies, R.A. Fonseca, C. Ren, F.S. Tsung, W.B. Mori, Proton Shock Acceleration in Laser-Plasma Interactions, Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 015002.

 

[7] K. Nishihara, H. Amitani, M. Murakami, S.V. Bulanov, T.Zh. Esirkepov, High energy ions generated by laser driven Coulomb explosion of cluster, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 464 (2001) 98.

 

[8] T.Zh. Esirkepov, M. Borghesi, S.V. Bulanov, G. Mourou, T. Tajima, Highly Efficient Relativistic-Ion Generation in the Laser-Piston Regime, Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 175003.

 

[9] S.A. Gaillard, T. Kluge, K.A. Flippo, M. Bussmann, B. Gall, T. Lockard, M. Geissel, D. T. Offermann, M. Schollmeier, Y. Sentoku, et al., Increased laser-accelerated proton energies via direct laser-light-pressure acceleration of electrons in microcone targets, Phys. Plasmas. 18 (2011) 056710.

 

[10] A. Macchi, M. Borghesi, M. Passoni, Ion acceleration by superintense laser-plasma interaction, Rev. Mod. Phys. 85 (2013) 751.

 

[11] Daido, H., M. Nishiuchi, A.S. Pirozhkov, Review of laser-driven ion sources and their applications, Rep. Prog. Phys. 75 (2012) 056401.

 

[12] A. Henig, D. Kiefer, K. Markey, D.C. Gautier, K.A. Flippo, S. Letzring, R.P. Johnson, T. Shimada, L. Yin, B.J. Albright, K.J. Bowers, J.C. Fernández, S.G. Rykovanov, H.-C. Wu, M. Zepf, D. Jung, V.Kh. Liechtenstein, J. Schreiber, D. Habs, B.M. Hegelich, Enhanced laser-driven ion acceleration in the relativistic transparency regime, Phys. Rev. Lett. 103 (2009) 045002.

 

[13] V.B. Pathak, J. Vieira, R.A. Fonseca, L.O. Silva, Effect of the frequency chirp on laser wakefield acceleration, New. J. Phys. 14 (2012) 023057.

 

[14] S.Y. Kalmykov, A. Beck, X. Davoine, E. Lefebvre, B.A. Shadwick, Laser plasma acceleration with a negatively chirped pulse: all-optical control over dark current in the blowout regime, New. J. Phys. 14 (2012) 033025.

 

[15] P. Gibbon, A.R. Bell, Collisionless absorption in sharp-edged plasmas, Phys. Rev. Lett. 68 (1992) 1535.

 

[16] R. Lichters, J. Meyer-ter-Vehn, A. Pukhov, Short-pulse laser harmonics from oscillating plasma surfaces driven at relativistic intensity Phys. Plasmas. 33 (1996) 425.

 

[17] F. Sohbatzadeh, S. Mirzanejhad,  M. Ghasemi, Electron acceleration by a chirped Gaussian laser pulse in vacuum, Phys. Plasmas. 13 (2006) 123108.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[18] J.X. Li, W.P. Zang, J.G. Tian, Electron acceleration in vacuum induced by a tightly focused chirped laser pulse, Appl. Phys. Lett. 96 (2010) 031103.

 

[19] Y.I. Salamin, J.X. Li, B.J. Galow, Z. Harman, C.H. Keitel, Laser acceleration of proton bunches by petawatt chirped linearly polarized laser pulses Phys. Rev. A. 85 (2012) 063831.

 

[20] E. Yazdani, R. Sadighi-Bonabi, H. Afarideh, Z. Riazi, H. Hora, Electron heating enhancement by frequency-chirped laser pulses, J. Appl. Phys. 116 (2014) 103302.