تاثیر اندازه قطر نانوذرات هدف در شتاب‌دهی لیزری پروتون در رهیافت tnsa

یکی از رایج‌ترین روش های شتاب دهی پروتون، روش شتاب دهی از غلاف پشت هدف (tnsa) می‌باشد. استفاده از یک لایه فوم در جلوی هدف اصلی نقش به سزایی در میزان جذب انرژی لیزر توسط الکترون‌ها و به تبع آن شتاب دهی پروتون ایفا می کند. این لایه می‌تواند با چگالی یکنواخت و همگن و یا با چگالی موضعی در یک ساختار نانو باشد. در این پژوهش با فرض به کارگیری لایه فوم با ساختار نانو و با استفاده از شبیه‌سازی‌های دو بعدی ذره‌ای، به مطالعه اثر اندازه نانوذرات پیش‌لایه در انرژی نهایی پروتون پرداخته می‌شود. ذرات با شعاع‌های 10، 60 و 120 نانومتر و نیز با اندازه‌های تصادفی در بازه 10 تا 120 نانومتر در هدف با لایه فومی در دو ضخامت 10 و 20 میکرومتر و با چگالی میانگین نزدیک بحرانی در شدت لیزری 10 = a (معادل 2w/cm^ 10^20≈i) مطالعه و شبیه سازی شده‌اند. مطابق با نتایج به دست آمده در هدف با ضخامت 10 میکرومتر اختلاف بیشینه انرژی جمعیت الکترونی و در نتیجه پروتون‌ها ناچیز و قابل صرف نظر کردن است. هر چند با افزایش ضخامت هدف، تغییر اندازه شعاع نانوذرات تاثیر قابل توجهی در انرژی نهایی طیف پروتون می‌گذارد. به طوری که با کوچک کردن اندازه شعاع نانوذرات از 120 نانومتر به 10 نانومتر افزایش حدود %45 در بیشینه انرژی پروتون مشاهده می‌شود.

Target Nanoparticles size effect on the laser proton acceleration in the TNSA mechanism

One of the most common laser proton acceleration mechanism is Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) method. The use of a foam layer in front of the main target plays an important role in the amount of laser energy absorption by the electrons and consequently the acceleration of the proton. The front layer can be either uniform and homogeneous or nanostructured. In this study, by assuming a nanostructured foam layer, and using twodimensional particle simulations code, the effect of nanoparticle’s radius on the proton cutoff energy is investigated. Particles with radii of 10, 60 and 120 nm and random sizes in the range of 10 to 120 nm have been studied and simulated in a front layer with thickness of 10 and 20 μm with nearcritical average density at laser intensity (I≈1020W/cm2). According to the results, in the case of thin foam layer, the differences of electron and consequently proton spectra are negligible. However, by increasing the foam thickness, the influence of nanoparticle radius causes a further dissociation in the final proton energy spectra. So that, the proton energy increases almost 45% by reducing the nanoparticle size from 120 nm to 10 nm.