Modelización y optimización hidrodinámica de amplificadores de rayos X basados en plasmas

Carro de la Vega, Jaime (2019). Modelización y optimización hidrodinámica de amplificadores de rayos X basados en plasmas. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Modelización y optimización hidrodinámica de amplificadores de rayos X basados en plasmas
Author/s:
  • Carro de la Vega, Jaime
Contributor/s:
  • Oliva, Eduardo
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: November 2019
Subjects:
Freetext Keywords: Plasma, Rayos X, Láser, Radiación, código ARWEN, iones, electrones.
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Este Trabajo de Fin de Grado consiste en la modelización y optimización hidrodinámica de amplificadores de rayos X basados en plasmas. Para ello se ha utilizado un software desarrollado por el Instituto de Fusión Nuclear, el Código ARWEN que ha permitido realizar las diferentes simulaciones objeto de estudio. Este trabajo surgió a raíz de uno de los principales programas de investigación llevado a cabo por el laboratorio láser PALS (Prague Asterix Laser System) cuyo objetivo es el desarrollo y aplicación de los láseres de rayos X basados en plasmas. Este centro de investigación proporciona una base para la investigación experimental en el campo de los láseres de potencia y física láser. Lo primero que se ha hecho ha sido realizar una serie de simulaciones, cada una con diferentes configuraciones del láser. Estas simulaciones consistían en lanzar contra un blanco (una placa de un material determinado) dos pulsos láser (el primero, el auxiliar, se lanza a los 1,5 ns y el segundo, el principal, a los 11,5 ns) para la creación de lo que denominamos “plasma”. Éste se crea como consecuencia de la interacción del láser con la materia y de las altas temperaturas alcanzadas. A continuación, se han elegido dos parejas de simulaciones con diferentes valores de energía de los pulsos láser, para observar qué efectos producen estas diferencias en nuestro plasma. Para estudiar las diferencias se han tomado como variables de estudio una serie de parámetros que definen con exactitud el comportamiento del plasma: la densidad, la temperatura, la deposición de energía, la densidad electrónica y la ionización media. En este trabajo se ha escogido como blancos 4 materiales: Titanio, Zinc, Molibdeno y Plata. Además, debido a las diferencias y similitudes presentes entre ellas, se ha escogido como objeto de estudio las siguientes simulaciones: la pareja PALS51815 - PALS51825, y la pareja PALS51816-PALS51818, y únicamente se han tomado las imágenes en tres tiempos determinados (a los 9,5 ns, 10,5 ns y 11,5 ns) suficientes como para poder estudiar cuál ha sido la evolución del plasma consecuencia de la deposición directa de los dos pulsos láser. El estudio de la evolución del plasma puede ser considerado como un problema de dos fluidos: el iónico y el electrónico, fruto de la ionización de los átomos del material como consecuencia de las altas temperaturas alcanzadas. Es por ello, por lo que se ha empleado el código de simulación hidrodinámica ARWEN con transporte de radiación. Este código resulta fundamental para el estudio y optimización de estos amplificadores. Toma las ecuaciones de Navier-Stokes y la ecuación de transporte de radiación, de forma que, discretizando el sistema a estudio, dividiéndolo en pequeñas celdas y aplicando y resolviendo para cada una de las celdas las diferentes ecuaciones, proporciona una descripción muy adecuada del comportamiento del plasma [1]. Para concluir, se deja constancia de que debido a la cantidad de simulaciones realizadas en este trabajo, y los numerosos datos que se obtienen se requiere de futuros trabajos que hagan un avance de las propiedades ya estudiadas o incluso se incorporen nuevos parámetros no tratados en este trabajo. Es por ello por lo que se ha realizado unas tablas con los valores numéricos máximos de todas las variables para cada una de las simulaciones de los diferentes materiales. De esta forma este estudio podrá ser tomado como base para elegir el material más adecuado para la implantación de un láser de rayos X basado en plasmas y para el avance de la física de los amplificadores de radiación X. En la actualidad se dispone de un código ARWEN con nuevas capacidades de simulación que pueden ser aplicadas a diversos campos (no solo a los láseres de rayos X) y que ha sido utilizado para estudiar la física de los amplificadores de radiación X coherente basados en plasmas. Esto ha permitido entender la evolución de estos amplificadores, explicando las diferencias encontradas entre experimentos y teoría, proponiendo a su vez una manera de reducir las pérdidas de energía de estos amplificadores.

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Item ID: 57276
DC Identifier: http://oa.upm.es/57276/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57276
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 14 Nov 2019 06:45
Last Modified: 13 Jan 2020 23:30
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