1. شتاب الکترون در برهم­کنش با پالس لیزری نامتقارن
ارائه دهنده: فاضل جهانگیری
همکاران: مینا اخیانی، محمد رضایی پندری، علیرضا نیکنام، رضا مسعودی
پژوهشکده لیزر و پلاسما

2. فهرست مطالب مروری بر شتابگرهای غیرلیزری شتابگرهای لیزری
مزیت شتاب در خلأ
الگوهای شتاب در خلأ
شتاب با استفاده از نیم‌پالس
معادلات دینامیک
چیدمان تجربی پیشنهادی
نتایج

3. مروری بر شتابگرهای غیرلیزری
Linac
Rutherford
1927
Rolf Wideroe
1927

4. مروری بر شتابگرهای غیرلیزری
cyclotron
Ernest Lawrence
1934

5. مروری بر شتابگرهای غیرلیزری
Synchrotron
McMillan
1945

7. نمودار پیشرفت شتابگرها
در دو دهه اخیر سرعت پیشرفت تکنولوژی شتابگرها و انرژی خروجی آنها کم شده است.

8. نکات قابل تأمل در شتابگرهای متداول
نوع ذره
موقعیت
مصرف توان
هزینه ساخت
ابعاد
نوع
شتاب‌دهنده
یون و آنتی پروتون
آلمان
دومین مصرف کننده برق در یکی از ایالتهای المان
1 میلیارد یورو
محیط 1/1 کیلومتر
شتابدهنده
Facility for Antiproton and Ion Research
(FAIR)
پروتون و آنتی پروتون
سرن- سوئیس
تقریبا یک تراوات
6 میلیارد یورو
محیط 27 کیلومتر
برخورد دهنده
Large Hadron collider
(LHC)
این سیستم‌ها گران هستند.
سیستم ILC (International Linear Collider) برای تولید پرتو الکترونی با انرژی 500 گیگاوات حدود 5 میلیارد دلار هزینه داشته است.
فضای بسیار زیاد مورد نیاز ( و تبعات بعدی ناشی از آن)
حداکثر گرادیان شتاب در این شتاب‌دهنده ها 100 MeV/m است.
برای مثال 31.5 MeV/m الزام به طول بیش از 15 کیلومتر را ایجاد می‌کند.

9. ویژگی های بارز شتابگرهای لیزری
بودجه : حدوداً چند ده میلیون یورو
اشغال فضایی کمتر از 200 متر مربع
شتاب الکترون در یک محدوده 20 سانتی متری تا حدود 10 گیگا الکترون ولت

10. تاریخچه شتابگرهای لیزری
شیمودا 1962: ایده شتاب ذرات با استفاده از لیزر
تاجیما و داوسون 1979: ایده شتاب در محیط پلاسما
ایساری و همکاران 1995: ایده شتاب در خلأ
امیرانوف و همکاران 1995: تولید پرتو الکترون با انرژی MeV با استفاده از شتابگر موج زنش پلاسمایی
مالکا 1997: شتاب الکترون تا انرژی MeV 1 (انرژی اولیه KeV 2.5( با استفاده از شتابگر لیزری خلأ
فائور و همکاران 2004: تولید پرتو الکترونی با انرژی MeV 170 با استفاده از شتابگر میدان دنباله لیزری

11. پیشرفت شتابگرهای لیزری در زمان

12. انواع شتابگرهای لیزری Plasma Vacuum
شتاب لیزری در دو محیط قابل بررسی است:
خلأ
پلاسما
مزیت‌های خلأ نسبت به پلاسما:
عدم وجود ناپایداری‌های پلاسما
عدم برخورد پرتو الکترونی با یون‌ها
استفاده آسان‌تر از الکترون‌های از پیش شتاب گرفته به عنوان الکترون‌های ورودی
Plasma
Laser wake field acceleration (LWFA)
Plasma beat wave acceleration (PBWA)
Plasma wake field acceleration (PWFA)
Vacuum
Direct Acceleration
Ponderomotive Acceleration

13. قضیه لاوسون-وودوارد
یک ذره باردار با بار q که در یک میدان الکترومغناطیسی با سرعت 𝜈 در حال حرکت است، بهره انرژی نهایی آن صفر خواهد بود، اگر:
میدان های لیزری در خلأ باشند،
ذرات در مسیر شتاب دارای سرعت ثابت و نسبیتی باشند 𝜐~𝑐،
هیچ میدان الکتریکی یا مغناطیسی استاتیکی وجود نداشته باشد،
ناحیه برهمکنش بی نهایت باشد،
از آثار غیرخطی مثل نیروی پاندروموتیو (𝜈×𝐵) صرف نظر شود.
در نظر گرفتن نیروی پاندروموتیو← تبادل انرژی بین میدان و ذره ← سرعت متغیر

14. در نظر گرفتن نیروی پاندروموتیو
به دست آوردن معادله سرعت و مسیر ذره
𝜂=𝜔𝑡−𝑘𝑧
دستیابی به بهره پایدار
کنترل سرعت فاز
گیر اندازی لحظه‌ای الکترون
انرژی الکترون با نوسانات میدان نوسان می‌کند.
بهره نهایی صفر است.

15. دستیابی به بهره نهایی غیر صفر
به دام اندازی لحظه‌ای الکترون
پراکنده کردن الکترون از میانه پالس
تزریق الکترون در میانه پالس
کنترل سرعت فاز موج
استفاده از موج زنش
استفاده از پالس چیرپ

16. به دام اندازی لحظه‌ای الکترون
پراکنده کردن از میانه پالس:
استفاده از پالس لیزری کانونی شده
پراکنده شدن ذرات از ناحیه پر شدت (کانون) به دلیل نیروی عرضی زیاد
استفاده از آینه پلاسمایی
ایجاد پلاسمای فوق چگال توسط قسمت جلویی پالس ← تشکیل آینه پلاسمایی
بازتاب نیمه دوم پالس لیزر، در حالی که الکترون به مسیر خود ادامه می‌دهد.
تزریق در میانه پالس:
یونیزاسیون اتم‌های سنگین
میدان کولنی قوی برای الکترون‌های مقید
صرف نیمی از انرژی پالس برای کندن الکترون و نیمی دیگر برای شتاب

17. محدودسازی ناحیه برهمکنش
قضیه لاوسون-وودوارد
یک ذره باردار با بار q که در یک میدان الکترومغناطیسی با سرعت 𝜈 در حال حرکت است، بهره انرژی نهایی آن صفر خواهد بود، اگر:
میدان های لیزری در خلأ باشند،
ذرات در مسیر شتاب دارای سرعت ثابت و نسبیتی باشند 𝜐~𝑐،
هیچ میدان الکتریکی یا مغناطیسی استاتیکی وجود نداشته باشد،
ناحیه برهمکنش بی نهایت باشد،
از آثار غیرخطی مثل نیروی پاندروموتیو (𝜈×𝐵) صرف نظر شود.
محدودسازی ناحیه برهمکنش
محدود کردن فضایی
محدود کردن زمانی

18. معادلات دینامیک در نیم‌پالس
𝑬= 𝐸 0 𝑒𝑥𝑝[− (𝜂−𝛼) 2 𝜏 2 ]𝑐𝑜𝑠 𝜂+ 𝜑 0 𝒊
𝑩= 𝐵 0 𝑒𝑥𝑝[− (𝜂−𝛼) 2 𝜏 2 ]𝑐𝑜𝑠 𝜂+ 𝜑 0 𝒋
𝑑𝒑 𝑑𝑡 =−𝑒 𝑬+𝜷×𝑩
𝑑𝐸 𝑑𝑡 =−𝑒𝑐𝜷.𝑬
بیشترین بهره:
دیدن دقیقاً نیمی از پالس توسط ذره

19. بهره انرژی و مسیر الکترون
افزایش زاویه تزریق
← کاهش میزان بهره پایدار

20. چیدمان تجربی پیشنهادی B = 8.9 T 𝜏=50 𝑓𝑠 𝑑 روزنه =0.01 𝑚𝑚
زاویه تزریق : کمتر از 0.01 رادیان
سرعت اولیه : 𝛽>0.99
8 الکترون از میان الکترون
اختلاف زمانی رسیدن الکترون‌های مطلوب : کمتر از fs 3

21. وابستگی بهره به زاویه تزریق
𝜷 0 = 𝛽 0 ( 𝒌 𝑐𝑜𝑠𝜁+ 𝒋 𝑠𝑖𝑛𝜁
تزریق در دو بعد
زاویه تزریق بهینه : صفر
افزایش زاویه تزریق ← کاهش میزان بهره پایدار
𝛽 0 = 𝛽 0𝑥 𝛽 0𝑦 𝛽 0𝑧 = 𝛽 0 sin(𝜃)cos(𝜑 𝛽 0 sin(𝜃)sin(𝜑 𝛽 0 cos(𝜃
تزریق در سه بعد

22. وابستگی بهره به فاز اولیه

23. وابستگی بهره به طول پالس
انرژی پالس ≡ ثابت

24. منابع
[1]
Plettner, T., R. L. Byer, E. Colby, B. Cowan, C. M. S. Sears, J. E. Spencer, and R. H. Siemann. "Proof-of- principle experiment for laser-driven acceleration of relativistic electrons in a semi-infinite vacuum." Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams 8, no. 12 (2005):
[2]
K. Shimoda, "Proposal for an Electron Accelerator Using an Optical Maser," Applied Optics, vol. 1, pp , 1962/01/
[3]
W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, C. Toth, K. Nakamura, C. G. R. Geddes, et al., "GeV electron beams from a centimetre-scale accelerator," Nature physics, vol. 2, pp , 2006.
[4]
H. Schwoerer, "Particle acceleration with lasers," South African Journal of Science, vol. 104, pp , 2008.
[5]
E. Esarey, C. B. Schroeder, and W. P. Leemans, "Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators," Reviews of Modern Physics, vol. 81, pp , 08/27/ 2009.
[6]
F. Amiranoff, D. Bernard, B. Cros, F. Dorchies, F. Jacquet, V. Malka, et al., "The laser wakefield acceleration experiment at Ecole Polytechnique," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 410, pp , 6/21/ 1998.
[7]
P. X. Wang, Y. K. Ho, X. Q. Yuan, Q. Kong, N. Cao, L. Shao, et al., "Characteristics of laser-driven electron acceleration in vacuum," Journal of applied physics, vol. 91, pp , 2002.
[8]
E. Esarey, P. Sprangle, and J. Krall, "Laser acceleration of electrons in vacuum," Physical Review E, vol. 52, p. 5443, 1995.
[9]
Akhyani, Mina, Fazel Jahangiri, Ali Reza Niknam, and Reza Massudi. "Optimizing chirped laser pulse parameters for electron acceleration in vacuum." Journal of Applied Physics 118, no. 18 (2015):
[10]
W. Yu, V. Bychenkov, Y. Sentoku, M. Y. Yu, Z. M. Sheng, and K. Mima, "Electron acceleration by a short relativistic laser pulse at the front of solid targets," Physical review letters, vol. 85, p. 570, 2000.
[11]
S. X. Hu and A. F. Starace, "GeV electrons from ultraintense laser interaction with highly charged ions," Physical review letters, vol. 88, p , 2002.
[12]
J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, et al., "A laser–plasma accelerator producing monoenergetic electron beams," Nature, vol. 431, pp , 2004.

25. با تشکر از توجه شما