مطالعه شتاب پروتونی در بر هم کنش نسبیتی پالس لیزری با یک هدف آلومینیومی با پوشش پروتون توسط شبیه سازی ذره ای

در این پروژه، شبیه سازی برهمکنش پالس لیزری کوتاه و پرشدت با لایه آلومینیومی پوشش داده شده توسط لایه نازکی از پروتون مورد بررسی قرار می گیرد. این شبیه سای در دو بعد و به روش ذره در جعبه انجام گرفته است. اثرات نسبیتی و دینامیک یون ها در کد شبیه سازی وارد شده اند و از برخورد واثرات حرارتی صرف نظر شده است. هدف در این شبیه سازی ایجاد پروتون ها و یون های پر انرژی است و تغییر در پارامترهای مختلف در شبیه سازی مانند شدت پالس لیزری، پهنای زمانی پالس لیزری، ضخامت لایه آلومینیومی و ... به منظور مقایسه بین بیشینه شتاب قابل دسترسی پروتونی و یونی در هر مرحله صورت گرفته است. بدین منظور استفاده از مجموعه معادلات ماکسول به همراه معادله حرکت نیوتون-لورنتز اساس کار شبیه سازی را تشکیل می دهند. در گام اول، میدان های الکترومغناطیسی پالس لیزری گوسی بر روی مرز فضای شبیه سازی تعریف می شوند. انتشار پالس لیزری (تحول مکانی و زمانی پالس) توسط معادلات ماکسول(قانون آمپر و فارادی) و به روش پرش قورباغه زیر چرخه ای و بادقت مرتبه دوم صورت می گیرد. میدان های الکتریکی و مغناطیسی تعریف شده بر روی نقاط شبکه از طریق درونیابی دو خطی در موقعیت ذرات محاسبه شده و سپس مکان و سرعت جدید ذرات (الکترون ها، پروتون ها و یون های آلومینیوم) با استفاده از معادله نیوتون-لورنتز نسبیتی و به روش بوریس و بنومن و با دقت مرتبه دوم محاسبه می شوند. چگالی بار و چگالی جریان ذرات به روش وزن دهی سطحی ابر در سلول به نقاط شبکه تخصیص داده می شوند. همچنین به منظور برقراری معادله پیوستگی بار، با استفاده از حل معادله پواسون به روش تبدیل فوریه سریع، پتانسیل و به دنبال آن میدان الکتریکی تصحیح شده ای بر روی نقاط شبکه بدست می آیند. میدان های تصحیح شده و چگالی جریان بدست آمده از مرحله قبل، وارد معادلات ماکسول شده و این حلقه پیوسته تکرار می شود. قوانین بقا شامل پایداری در انرژی کل سیستم و بقای بار به عنوان معیارهای درستی شبیه سای مورد نظر بوده اند. نتایج، در غالب نمودارهای مربوط به مقایسه بیشینه شتاب پروتونی حاصل از تغییر پارامترها از جمله تغییر شدت پالس لیزری، تغییر ضخامت لایه آلومینیومی و ضخامت لایه پوششی پروتونی، اضافه کردن اثر حرارتی در ابر الکترونی، تغییر شکل در لایه پروتونی، تغییر توان پالس لیزری ارائه شده است. همچنین نمودارهای مربوط به توزیع انرژی پروتون ها در لحظه بیشینه شتاب نشان داده می شوند.