شبیه‌سازی تولید پرتو ایکس ترمزی و فوتونوترون از طریق برهم‌کنش الکترون‌های تولید شده با لیزر با هدف‌های جامد

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فیزیک، دانشگاه آزاد تهران، واحد مرکزی، صندوق پستی: 86831-14676، تهران ـ ایران

2 پژوهشکده‌ی لیزر و اپتیک، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی: 1339-14155، تهران ـ ایران

3 پژوهشکده‌ی فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، صندوق پستی: 1339-14155، تهران ـ ایران

چکیده

ابتدا با بمباران هدف‌های جامد به وسیله‌ی طیف‌های الکترون‌های تولید شده از برهم‌کنش لیزر- پلاسما، تولید پرتو ایکس ترمزی با استفاده از کد MCNPX شبیه‌سازی شد. سپس شبیه‌سازی تولید نوترون از برهم‌کنش فوتون‌های پرتو ایکس با هدف جامد ثانویه به انجام رسید. هدف از انجام این کار ارزیابی پارامترهای مناسب چشمه‌ی الکترون و هدف برای تولید مؤثر فوتون‌ و نوترون بود. بدین‌ترتیب امکان تعیین بهترین شرایط چشمه و هدف از جمله جنس و ضخامت بهینه‌ی هدف، طیف مناسب الکترون، و زاویه‌ی‌ بهینه گسیل فوتون برای افزایش بازده تولید پرتو ایکس فراهم می‌آید. این کار به نوبه‌ی خود به بهبود تولید شار فوتونوترون برای کاربردهای مختلف از جمله پزشکی منجر
می‌شود. یافته‌ها نشان داد که با افزایش انرژی بیشینه‌ی الکترون، ضخامت بهینه و بازده خروجی افزایش می‌یابد. هم‌چنین برای مواد با چگالی و عدد اتمی بزرگ‌تر، افزایش گسیل فوتون‌های ترمزی که در ضخامت‌های کوچک‌تر روی می‌دهد، منجر به تولید بیش‌تر شار نوترون می‌شود.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation of Bremsstrahlung X-ray and photo-neutron generation via interaction of laser-produced electrons with solid targets

نویسندگان [English]

  • Saeideh Najafi 1
  • Lida Nikzad 2
  • Zafar Riazi 3
چکیده [English]

In this paper, first, with bombardment of solid targets via spectra of electrons produced from the laser–plasma interaction, the created Bremsstrahlung X-ray is simulated using MCNPX code. Then, by the interaction of the produced photons with a secondary solid target, a simulation for the neutron generation is studied. The purpose of this work is to evaluate appropriate parameters of electron source and target to create photons and neutrons, more efficiently. Therefore, we are able to estimate the best conditions for the source and target, for instance, the optimum selection of the target material and its thickness, proper electron spectrum, and the optimum angle of photon emission so as to increase the efficiency of X-ray generation. This results in improved production of photo-neutron flux to be used in various applications such as medical uses. The results show that by increasing the electron peak energy, the optimum thickness and output efficiency are enhanced. Furthermore, for materials with higher density and atomic number, the increment of Bremsstrahlung photon emission, which occurs at smaller thicknesses, results in greater generation of neutron flux.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bremsstrahlung X-rays
  • Photo-neutron generation
  • Laser-produced electrons

[1] X. Wang, R. Zgadzaj, N. Fazel, Z. Li, S.A. Yi, Xi. Zhang, W. Henderson, Y.Y. Chang, R. Korzekwa, H.-E. Tsai, C.-H. Pai, H. Quevedo, G. Dyer, E. Gaul, M. Martinez, A.C. Bernstein, T. Borger, M. Spinks, M. Donovan, V. Khudik, G. Shvets, T. Ditmire, M.C. Downer, Quasi-monoenergetic laser-plasma acceleration of electrons to 2GeV, Nature Communications, 4 (1988) (2013) 1-9.

[2] R. Sadighi-Bonabi, H.A. Navid, P. Zobdeh, Observation of quasi mono-energetic electron bunches in the new ellipsoid cavity model, Laser and Particle Beams, 27 (2009) 223-231.

[3] C. Courtois, R. Edwards, A. Compant La Fontaine, C. Aedy, S. Bazzoli, J.L. Bourgade, J. Gazave, J.M. Lagrange, O. Landoas, L. Le Dain, D. Mastrosimone, N. Pichoff, G. Pien, C. Stoeck, Characterization of a MeV Bremsstrahlung X-ray source produced from a high intensity laser for high areal density object radiography, Phys. Plasmas, 20 (2013) 083114.

[4] K.M. Spohr, M. Shaw, W. Galster, K.W.D. Ledingham, L. Robson, J.M. Yang, P. McKenna, T. McCanny, J.J. Melone, K-U Amthor, F. Ewald, B. Liesfeld, H. Schwoerer, R. Sauerbrey, Study of photo-proton reactions driven by bremsstrahlung radiation of high-intensity laser generated electrons, New Journal of Physics, 10 (2008) 043037.

[5] J. Fuchs, P. Antici, E. d'Humières, E. Lefebvre, M. Borghesi, E. Brambrink, C.A. Cecchetti, M. Kaluza, V. Malka, M. Manclossi, S. Meyroneinc, P. Mora, J. Schreiber, T. Toncian, H. Pépin, P. Audeber, Laser-driven proton scaling laws and new paths towards energy increase Nature Phys, 2 (2006) 48-54.

[6] B.M. Hegelich, B.J. Albright, J. Cobble, K. Flippo, S. Letzring, M. Paffett, H. Ruhl, J. Schreiber, R.K. Schulze, J.C. Fernández, Laser acceleration of quasi-monoenergetic MeV ion beams, Nature, 439 (2006) 441-444.

[7] J. Galy, D.J. Hamilton, C. Normand, High-intensity lasers as radiation sources: An overview of laser-induced nuclear reactions and applications, Eur. Phys. J. Special Topics, 175 (2009) 147-152.

[8] J. Alvarez, J. Fernández-Tobias, K. Mima, S. Nakai, S. Kar, Y. Kato, J.M. Perlado, Laser Driven Neutron Sources: Characteristics, Applications and Prospects, Physics Procedia, 60 (2014) 29-38.

[9] C.L. Ellison, J. Fuchs, Optimizing laser-accelerated ion beams for a collimated neutron source, Phys. Plasmas, 17 (2010) 113105.

[10] U. Masood, M. Bussmann, T.E. Cowan, W. Enghardt, L. Karsch, F. Kroll, U. Schramm, J. Pawelk, A compact solution for ion beam therapy with laser accelerated Protons, Appl. Phys., B 117 (2014) 41-52.

[11] T.E. Cowan, A.W. Hunt, T.W. Phillips, S.C. Wilks, M.D. Perry, C. Brown, W. Fountain, S. Hatchett, J. Johnson, M.H. Key, T. Parnell, D.M. Pennington, R.A. Snavely, Y. Takahashi, Photonuclear Fission from High Energy Electrons from Ultraintense Laser-Solid Interactions, Phys. Rev. Lett., 84(5) (2000) 903-906.

[12] T. Tajima, J.M. Dawson, Laser electron accelerator, Phys. Rev. Lett., 43 (1979) 267-270.

[13] A. Modena, Z. Najmudin, A.E. Dangor, C.E. Clayton, K.A. Marsh, C. Joshi, V. Malka, C.B. Darrow, C. Danson , D. Neely, F.N. Walsh, Electron acceleration from the breaking of relativistic plasma waves, Nature, 337 (1995) 606-608.

[14] J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.-P. Rousseau, F. Burgy, V. Malka, A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams, Nature, 431 (2004) 541.

[15] A. Pukhov, J. Meyer-ter-Vehn, Laser wake field acceleration: the highly non-linear broken-wave regime, Appl. Phys., B 74 (2002) 355.

[16] F.S. Tsung, Ritesh Narang, W.B. Mori, C. Joshi, R.A. Fonseca, L.O. Silva, Near GeV energy laser wakefield acceleration of self-injected electrons in a cm scale plasma channel, Phys. Rev. Lett., 93 (18) (2004) 1383.

[17] L. Nikzad, R. Sadighi-Bonabi, Z. Riazi, M. Mohammadi, F. Heydarian, Simulation of enhanced characteristic X rays from a 40-MeV electron beam laser accelerated in plasma, Phys. Rev. ST Accel. Beams, 15 (2012) 021301.

[18] Xu Hai-Bo, Peng Xian-Ke, Chen Chao-Bin, Monte Carlo simulation for bremsstrahlung and photoneutron yields in high-energy X-ray radiography, Chinese Phys., B 19 (2010) 062901.

[19] G. Kim, V. Kovalchuk, Y.S. Lee, V. Skoy, M.H. Cho, I.S. Ko, W. Namkung, D.W. Lee, H.D. Kim, S.K. Ko, S.H. Park, D.S. Kim, T.I. Ro, Y.G. Min, Measurement of Photoneutron Spectrum at Pohang Neutron Facility, Nucl. Instrum. Methods in Phys. Res., A 485 (2002) 458.

[20] V.C. Petwal, C. Petwal, V.K. Senecha, K.V. Subbaiah, H.C. Soni, S. Kotaiah, Optimization studies of photo-neutron production in high-Z metallic targets using high energy electron beam for ADS and transmutation, Pramana-Journal of Physics 68(2) (2007) 235-241.

[21] Eisuke Miura, Kazuyoshi Koyama, Susumu Kato, Naoaki Saito, Demonstration of quasi-monoenergetic electron-beam generation in laser-driven plasma acceleration, Applied Physics Letters, 86 (2005) 251501.

[22] K. Krushelnick, Laser plasma acceleration of electrons: Towards the production of monoenergetic beams, Physics of Plasmas, 12 (2005) 056711.

[23] V. Malka, J. Faure, Y. Glinec, A. Lifschitz, Laser-plasma wakefield acceleration: concepts, tests and premises, Proceedings of Epac (2006), Edinburgh, Scotland, 10-13.

[24] J. F. Briesmeister, MCNP™-A General Monte Carlo N-Particle transport Code, (Version 4C, Las Alamos National Laboratory, LA-13709-M (2000).

[25] G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement (John Wiley & Sons, Inc., New York, 3rd ed (2000).

[26] M.J. Berger, S.M. Seltzer, Bremsstrahlung and Photoneutrons from Thick Tungsten and Tantalum Targets, Phys. Rev., C 2 (1970) 621.