مقدمه

برهمکنش لیزر با شدتهای بالای ۱۰۱۸w/cm2 و پلاسما منجر به تولید ذرات پرانرژی از قبیل الکترون، پروتون(یونهای سنگین)، نوترون و همچنین فوتون میشود.[۳-۱] از میان باریکه ذرات پرانرژی، باریکههای پروتونی برای اهداف هادرون تراپی در درمان تومورهای سرطانی،تولید رادیودارو، تصویربرداری پروتون، افروزش سریع در گداخت هستهای به روش محصورسازی لختی وهمچنین به عنوان تزریقکننده در شتابدهندههای معمولی میتوانند استفاده شوند. برای کاربردهای مختلف باریکه پروتونی، انرژی و شدت آنها بایستی به اندازه کافی بالا باشد، برای مثال انرژی پروتون، برای استفاده در پروتونتراپی در محدوده ۷۰ الی ۲۵۰ مگاالکترون ولت انتخاب میگردد. با این حال تک انرژی بودن باریکه پروتون، یعنی%E/E 2 ، نیز مهم است. در شدتهای متوسط لیزر((~۱۰۱۷-۱۰۲۰w/cm2، معمولا مکانیزم شتابدهی لایه عمود بر هدف ۱(TNSA) غالب است .[۵-۴]

شکل(. ( ۱ مکانیزم شتابدهی یون

به روش .[۶] TNSA

۱ Target Normal Sheath Acceleration

۱۱۷۲

Fp=(-e2/4me

در این مکانیزم پالس فوق کوتاه (<1ps) و پر شدت لیزر، به سطح جلوی هدف تابیده میشود. لیزر از طریق نیروی اثرگذار خود با الکترونها برهم کنش میکند. یونها به دلیل دارا بودن نسبت بار به جرم بالا تحت تاثیر
این نیرو قرار نمیگیرند. نیروی اثرگذار برای لیزر با قطبش خطی ۲)∇EL2(1-cos2 t) است.

وجود جمله نوسانی در این نیرو سبب نوسان الکترونهای موجود در پلاسمای ایجاد شده در جلوی هدف و گرم شدن آنها میشود. الکترونهای داغ به داخل هدف نفوذ کرده و با عبور از هدف باعث تولید میدان الکتروستاتیکی قوی در سطح پشت هدف میشوند. این میدان، اتمهای سطح پشت هدف را یونیزه نموده و باعث شتاب یونهای تولید شده میشود. انرژی یونهای تولید شده در مکانیزم TNSA، از مرتبه چندین مگاالکترون ولت است. هنگامی که شدت لیزر به بیش از ۱۰۲۳w/cm2برسد سهم جمله نوسانی در مقایسه با جمله خطی کاهش مییابد و گرم شدن الکترونها متوقف و سهم نیروی خطی بیشتر میشود . این نیرو سبب حرکت الکترونها در راستای حرکت پالس لیزر میشود و مکانیزم شتاب فشار تابشی لیزر ۲(RPA) غالب میشود.[۷] اگر در شتابدهی یونها بوسیله مکانیزم RPA، از لیزر با قطبش دایروی استفاده شود نیروی اثرگذار آن به صورتfp=(-e2/4me 2)∇EL2 میباشد. جمله نوسانی در این نیرو وجود ندارد و رژیم RPA در شدتهای پایینترغالب میشود. در نتیجه تراکم الکترونها، چگالی بیش از چگالی بحرانی می شود و لیزر نمیتواند ازلایه الکترونی عبور کند و بنابر این منعکس میشود. فشار تابشی ناشی از بازتاب لیزر یک نیروی رو به جلو بر لایه الکترونها اعمال میکند. به دلیل ساکن بودن یونها، میدان الکتروستاتیکی ناشی از جابه جایی بارها در داخل هدف ایجاد میشود. این نیرو که خلاف جهت نیروی ناشی از فشار تابشی لیزر است سعی در بازگرداندن الکترونها و جلوگیری از متراکم شدن آنها دارد. چنانچه تعادل بین فشار تابشی و نیروی الکتروستاتیکی فوق برقرار شود یونها توسط نیروی الکتروستاتیکی فوق در داخل هدف شتاب میگیرند. شدت میدان الکتروستاتیکی به حدی خواهد بود که یونها در زمان بسیار کوتاهی به سرعت نسبیتی نزدیک شده وتودهای از پلاسما (شامل الکترونها و یونها) از هدف اصلی جدا خواهد شد.

شکل(:(۲ مکانیزم شتاب یون .[۸] RPA

یونهای تولیدی در مکانیزم RPA طیف انرژی بسیار نازکتر از یونهای تولیدی در مکانیزم TNSA دارند.

۲ Radiation Pressure Acceleration

۱۱۷۳

شکل(.(۳ طیف انرژی یونهای خروجی : الف- مکانیزم .[۹] TNSA ب- مکانیزم .[۱۰] RPA

این ویژگی رژیم RPA نسبت به رژیم TNSA، سبب تمرکز تحقیقات اخیر بر این نوع از مکانیزم شتابدهی یونها شده است.[۱۲-۱۱] در اکثر کارهای انجام گرفته پلاسما به صورت هدفی با پروفایل تخت در نظر گرفته شده است .در عمل پیش پالس لیزر که در فاصله زمانی از مرتبه چند پیکو ثانیه و پیش از رسیدن پالس اصلی به هدف برخورد میکند نقش ایجاد پلاسمای مورد نظر را دارد. بدلیل وجود اختلاف زمانی تا زمان رسیدن پالس اصلی، پلاسما شروع به پخش شدن میکند که باعث ایجاد پیش پلاسما بین هدف اصلی و پالس اصلی لیزر میشود( شکل(.((۴ در اکثر کارهای انجام شده در رژیم RPA اثر این پیش پلاسما بر طیف انرژی یونها کمتر بررسی شده است.