مقدمه:

در سالهای اخیر از برخورد پالس لیزرهای توان بالا با پلاسما برای شتاب ذرات از جمله الکترون ها استفاده شده است. از برخورد الکترون های پر انرژی با هدف جامد با Z بالا می توان برای تهیه منابعی از ذرات مانند پروتون، پوزیترون، فوتون های با انرژی در حد مگا الکترون ولت استفاده نمود . [۱] شتاب دهنده های ذرات کاربردهای بسیار گسترده ای در زمینه های مختلف از جمله در علوم پزشکی، بیولوژی، مواد، و فیزیک پرانرژی دارند. در شتاب دهنده های متداول، میدان های شتاب دهنده محدود به چند MeVm-1 هستند. بنابراین، تولید طیف های الکترونی پرانرژیمعمولاً نیازمند شتاب دهنده های بزرگ و گران قیمت است .[۲] شتاب دهنده های لیزر-پلاسمایی بعنوان نسل بعدی شتاب دهنده های کم حجم مطرح شده اند، و این امر به دلیل قابلیت تحمل میدان های الکتریکی بسیار بزرگ توسط آنهاست (بزرگتر از .[۳] (۱۰۰ GeVm-1 برای بیشتر کاربردها، به طیف های الکترونی با کیفیت بالا و توزیع تک انرژی نیاز است. طیفی که فاقد این شرایط باشد به سختی قابل استفاده می باشد، زیرا انتقال و یا کانونی کردن آن دشوار خواهد بود. به تازگی سه گروه تحقیقاتی از کالج سلطنتی لندن، لابراتوار ملی برکلی لارنس (LBNL) و LOA ، به طور مستقل به تولید طیف های شبه تک انرژی الکترون با انرژی بالاپرداخته اند، آنها این کار را مستقیماً با کانونی کردن یک پالس لیزر بر روی یک پلاسمای همگن، یا بر روی یک کانال پلاسما انجام دادند ۶]،۵،.[۴

۱۰۹۶

هنگامی که الکترون های پر انرژی بر روی هدف جامد با Z بالا برخورد می کنند، فوتون های ایکس شامل طیف گسسته مشخصه (انرژی در حد (keV و پیوسته تابش ترمزی تولید می شوند. در این کار، مطالعه ما بر روی تابش ترمزی با انرژی بالا متمرکز می شود. نشان داده می شود که شدت تابش ترمزی به طور حساسی به طیف الکترون، جنس و ضخامت هدف و زاویه پراکندگی بستگی دارد .> 7@ این فوتون های تابش ترمزی با هسته های ماده هدف ثانویه واکنش نشان داده در اثر واکنش فوتوهسته ای تابش هسته ای تولید می کنند . در شکل ۱ تولید فوتونوترون از برخورد طیف ترمزی حاصل از الکترونهای لیزری به صورت شماتیک نشان داده شده است. در طی این فرآیند، فوتون جذب هسته هدف شده به عنوان یک تعامل فوتو-نوکلئونی منجر به تولید نوکلئون می شود .>8@ مکانیسم فیزیکی آن را می توان اینگونه شرح داد که وقتی فوتون فرودی به هدف جامد برخورد می کند، انرژی فوتون به هسته منتقل شده و باعث تحریک هسته می شود و آن را به یک حالت گسسته با انرژی بالاتر می برد و منجر به تغییر انرژی نوترون مرز و پروتون داخل هسته شده و انرژی اضافی به فرم نوترون ساطع می شود. این واکنش یک واکنش آستانه ایست زیرا انرژی فوتون می باید حداقل برابر انرژی پیوندی یک نوکلئون باشد و چون انرژی پیوندی نوکلئون به نوع هسته بستگی دارد، بنابراین انرژی آستانه معمولاً بالاست . احتمال وقوع اثر واپاشی در انرژی های بالای ۱۰ MeV بیشتر است. در واکنش های فوتو- نوکلئون انتشار نوترون محتمل تر از پروتون می باشد.

شکل :۱ شمایی از تولید فوتونوترون از طیف ترمزی حاصل از الکترونهای لیزری

روش کار:

در این کار برای شبیه سازی تولید تابش ترمزی، از طیف های تجربی شبه تک انرژی الکترون که از برهم کنش لیزر- پلاسما تولید می شوند استفاده شده است. برای تولید چشمه های فوتونوترنی، طیف های شبه تکفام الکترونی با انرژی بالای ۱۰MeV انتخاب شده اند. هدفها هم به شکل استوانه توپر انتخاب شده اند. در جدول ۱ مشخصات لیزر و پلاسمای مولد طیف های الکترونی و شعاع هدف برای تولید تابش ترمزی آمده است. . شعاع هدف ها متناسب با ابعاد چشمه الکترونی انتخاب شده است.

جدول :۱ مشخصات لیزر و پلاسمای مولد طیف های الکترونی و شعاع هدف

mm ) انرژی پیک چگالی پلاسما قدرت لیزر (TW)
شعاع هدف( الکترون (MeV) ( −۳)

۱۰۹۷

۸ ۱۱ ۱×۱۰۱۹ ۱۰
۰ ۰۱۸ ۴۰ ۱۴×۱۰۱۹ ۱۶ ۶
۰ ۰۴ ۵۵ ۲×۱۰۱۹ ۵۰
۰ ۰۷۲ ۱۷۵ ۶×۱۰۱۸ ۲۰
برای شبیه سازی با کد MCNPX که از تقریب بورن برای نمونهبرداری فوتونهای تابش ترمزی استفاده نموده است [۹] ، ابتدا مشخصات چشمه و هدف به عنوان ورودی به کد داده شده و بعد از اجرا، خروجی به صورت تعداد کل فوتونهای تولید شده حاصل می شود. داده های طیف های تجربی چشمه الکترونی را به کمک نرم افزار digxy استخراج شده و به کد معرفی می شوند. هدف های بررسی شده در این تحقیق شامل استوانه های حجمی از جنس سرب (z=82, 11 34 g/cm3)، تنگستن (z=74, 19 3 g/cm3) و تانتالیم z=73, =16,6 (g/cm3) هستند. ضخامت هدف (همان ارتفاع استوانه)، از ۱۰۰ میکرون تا ۳۰۰۰ میکرون در نظر گرفته شده و ضخامت بهینه برای هر طیف و هر ماده بدست آورده شده است. بعد از بدست آوردن ضخامت و جنس بهینه برای هدف، توزیع زاویه ای پراکندگی طیف ترمزی، و در نهایت تولید نوترون از فوتون های ترمزی شبیه سازی شده اند.

نتایج: الف) یافتن طیف ترمزی بهینه

برای مقایسه طیف ها و یافتن بهترین ضخامت ها از پارامتری به نام کسر موثر استفاده میکنیم. این پارامتر به صورت زیر تعریف میشود: