Hidrodinámica de plasmas amplificadores de radiación X blanda usando el esquema TCE

Iglesias Marín, María (2020). Hidrodinámica de plasmas amplificadores de radiación X blanda usando el esquema TCE. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Hidrodinámica de plasmas amplificadores de radiación X blanda usando el esquema TCE
Author/s:
  • Iglesias Marín, María
Contributor/s:
  • Oliva Gonzalo, Eduardo
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: July 2020
Subjects:
Freetext Keywords: Láser, radiación X, plasma, esquema TCE, ion niqueloide, ionización.
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La invención del láser y su evolución han permitido a la sociedad ampliar enormemente su conocimiento en diversos campos de estudio. En la actualidad, los láseres se encuentran en multitud de disciplinas, tanto en investigación científica como en aplicaciones cotidianas. Se pueden encontrar en el ámbito industrial, comercial o en fotografía entre muchos otros. Algunas de estas aplicaciones pueden ser la mecanización metalúrgica, tratamientos estéticos, óptica computacional, etc. El láser supuso, además, un gran avance en medicina y biología, permitiendo realizar numerosas intervenciones quirúrgicas, incrementando la precisión y, por ende, mejorando los resultados; facilitando la detección de enfermedades y daños internos; o constituyendo nuevos tratamientos ante numerosas enfermedades. Una de las líneas de investigación evolucionó hacia el desarrollo de láseres de radiación X blanda más compactos, también denominados “table-top lasers”. Este nombre proviene del tamaño buscado que permite situar el láser sobre una mesa óptica. La importancia de esta investigación viene determinada no solo por su posible aplicación en multitud de instalaciones, que hasta entonces se encuentra imposibilitada por los grandes tamaños de estos dispositivos, sino también por la apertura de nuevos campos de estudio. En esta línea, se está desarrollando una investigación que estudia el funcionamiento de un láser de radiación X blanda mediante el uso del esquema TCE y QSS en serie, en la que se encuadra el presente trabajo. Este documento se centra en el estudio de la hidrodinámica de plasmas generados por el esquema TCE. El objetivo principal es encontrar las condiciones en las que se forma el ion niqueloide del molibdeno mediante la variación de diversos parámetros del láser. Una vez alcanzada esta situación se hace uso de un pulso ultracorto que induce la inversión de población necesaria para la amplificación láser. De forma paralela, se analiza la influencia de estos parámetros (intensidad, instante de deposición de energía y prepulso) en la ionización media, densidad y temperatura del plasma y su evolución. Este estudio se lleva a cabo con la ayuda de simulaciones computacionales. Las simulaciones del plasma se han efectuado en un entorno computacional desarrollado en el Instituto de Fusión Nuclear “Guillermo Velarde” de la Universidad Politécnica de Madrid denominado ARWEN. Este programa resuelve las ecuaciones de la hidrodinámica radiativa y muestra como salida una imagen con escala de colores de distintos parámetros del plasma. Entre estos parámetros se incluye: densidad, densidad electrónica, temperatura, velocidad en x y en y, ionización media, deposición de energía, etc. En primera instancia, se realizaron simulaciones con 4 materiales distintos. Sin embargo, estas simulaciones no dieron resultados válidos debido a la ausencia de los iones necesarios en cada caso. Los materiales y los iones buscados de cada uno de ellos son: titanio (ion neonoide), zinc (ion neonoide), plata (ion niqueloide) y molibdeno (ion niqueloide). Las simulaciones posteriores se realizaron tomando un único material, el molibdeno, para así facilitar la comparación y deducción de conclusiones. Con este mismo objetivo, facilitar el estudio, se agrupan las simulaciones en tandas en función de la naturaleza de las modificaciones realizadas. La primera tanda está constituida por 8 simulaciones en las que se varían la energía, focalización y duración del láser con el objetivo de aumentar la ionización media. La intensidad del láser es directamente proporcional a la energía e inversamente proporcional a la duración y focalización, por lo que se aumenta la energía y se disminuyen tanto la duración como la focalización. Como referencia se toman los valores de las simulaciones iniciales en las que se comparaban distintos materiales. En la siguiente tanda de 4 simulaciones se retrasa el instante de deposición de energía y su perfil. Se compara en esta tanda la influencia del perfil gaussiano e hipergaussiano. En la última tanda de 4 simulaciones se decide incluir un prepulso que acondicione el plasma y favorezca la absorción de energía. Como resultado se obtiene una mayor homogeneidad tanto en la ionización media como en la temperatura y densidad. Como última estrategia se optó por tomar parámetros completamente distintos a los anteriores. En este caso se utiliza un prepulso y un pulso principal de menor duración que los anteriores (200 ps) y energías más altas. Además, se redujo significativamente el ancho del láser a valores de 15 µm. Finalmente, con estas especificaciones se obtiene el ion niqueloide del molibdeno. Esto permite inducir la inversión de población mediante un tercer pulso de 10 picosegundos de duración. Como posible continuación a este trabajo cabría aplicar los datos de la última simulación a los distintos materiales, y de esta forma encontrar el material que presente condiciones óptimas haciendo uso del esquema TCE y QSS. En resumen, haciendo uso del código ARWEN se ha podido realizar un estudio profundo del comportamiento del plasma en distintas condiciones y aplicar este conocimiento para formar el ion niqueloide buscado.

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Item ID: 66168
DC Identifier: http://oa.upm.es/66168/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:66168
Deposited by: María Iglesias Marín
Deposited on: 17 Feb 2021 07:00
Last Modified: 17 Feb 2021 07:00
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