Estudio de la influencia de la función de distribución de energía de los electrones en láseres de nitrógeno sin cavidad

Abstract

La detección de contaminantes y sustancias patógenas presentes en la atmósfera es de gran importancia en cuanto a términos de nivel medioambiental y en lo que a seguridad nacional se refiere. En particular, las técnicas de análisis en medios gaseosos mediante el uso del láser proporciona medidas de alta calidad. Por ello, se consideran como las principales herramientas para el análisis atmosférico. Uno de los conceptos más prometedores en este ámbito es la detección de emisión estimulada mediante receptores colocados en la superficie terrestre. Este método de análisis consta del siguiente proceso. En primer lugar, se emite un primer pulso láser infrarrojo enfocado sobre el punto de la atmósfera a analizar. Este genera un filamento de plasma débilmente ionizado en el mismo capaz de amplificar la radiación ultravioleta (UV). Dicha amplificación se produce tanto en el sentido del pulso como en el opuesto, siendo más interesante la producida en el sentido opuesto ya que es la que podría ser en la superficie terrestre. Esta radiación UV amplificada permite analizar la presencia o ausencia de contaminantes en la zona de la atmósfera atravesada por la misma. El campo de estudio de este trabajo es totalmente distinto a los conocimientos adquiridos durante el Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales. Por tanto, es crucial entender los procesos físicos que tienen lugar en el proceso explicado en el párrafo anterior para poder desarrollar mejoras en el sistema de detección. La correcta comprensión de estos fenómenos está directamente unida a la realización de experimentos en laboratorio, que en este caso tienen un elevado coste y elaboración. El desarrollo de este trabajo tiene como base el resultado de uno de estos experimentos, en el que el nitrógeno es el medio de realización de la amplificación. Los resultados obtenidos de dicho experimento pretenden ser modelizados mediante el código DeepOne. Esta tarea resulta de vital importancia para la investigación puesto que poseer la capacidad de modelizar completamente el experimento ofrece la posibilidad de alterar determinados parámetros en el código para poder observar como varía el comportamiento del plasma, sin necesidad de llevar a cabo aquellos caros y complejos experimentos. DeepOne es el código resultado de una colaboración entre el Instituto de Fusión Nuclear de la Universidad Politécnica de Madrid y el Laboratoire d’Optique Appliquée de París (ENSTA, ´ Ecole Polytechnique, CNRS). Su evolución en 3D, Dagón, ha sido desarrollado por el Instituto de Fusión Nuclear en el marco de una Marie Sklodowska-Curie fellowship (financiada por la Unión Europea). El principal encargado del desarrollo de estos códigos, así como de la realizaci ón de simulaciones, es el Dr. Eduardo Oliva Gonzalo, que ha dirigido cuatro trabajos fin de grado anteriores a este con el objetivo de desarrollar el código hasta la comprensión completa de los resultados experimentales obtenidos. La misión principal de los trabajos previamente nombrados es la modelización de láseres de nitrógeno atmosférico y, por tanto, la mejora y desarrollo del código DeepOne. En concreto, este trabajo es continuación de los realizados por Javier Vera Gallego [1] y Alberto Sanchis Sebastiá [2], que a su vez siguieron las pautas marcadas en los trabajos de Sergio Vicens de Cabo [3] y Juan Carlos Escudero [4]. El nitrógeno es el componente mayoritario de la atmósfera y el código proporciona buenos resultados en el estudio de la amplificación de la radiación UV en nitrógeno, por lo que se puede decir que también proporciona una buena estimación de lo que sucede en el aire. Uno de los posibles retos futuros que deja este trabajo es el desarrollo del mismo código incluyendo la presencia de oxígeno. Gracias a la dedicación durante años de D. Eduardo Oliva Gonzalo y al trabajo desarrollado por los mismos alumnos, se han podido concretizar el valor de los parámetros y de las aproximaciones necesarias para tener unos resultados en las simulaciones muy fieles a la realidad. En concreto, este trabajo se centra en demostrar la validez de la idea concluida en proyectos anteriores de que es necesario cambiar la distribución Maxwelliana de los electrones utilizada hasta el momento. Hay que modelizar una nueva distribución acorde con la física de los experimentos y en ver como afecta la nueva modelización a los resultados de la simulación. Para ello, se comenzó elaborando una base de datos (BBDD) para la distribución electrónica que se correspondiese con las gráficas experimentales aportadas en [5]. Tras una depuración de la BBDD, se elaboró un código que permitiese hallar mediante interpolación la función de distribución de los electrones a lo largo de su evolución temporal y se comprobó qué método de interpolación era el que ofrecía mejores resultados dentro de los métodos disponibles en Octave, programa utilizado para el desarrollo del código. A continuación, nos dispusimos a modificar los códigos de cálculo de las secciones eficaces que incluían la anterior distribución Maxwelliana electrónica para poder insertar la de nuestro modelo. Posteriormente, después de dedicar tiempo a la correcta comprensión del código DeepOne, se lanzaron algunas simulaciones con intención de estudiar los resultados derivados de las mismas. En ellos, se pudo confirmar que la nueva modelización de la función de distribución se correspondía en gran medida con los resultados experimentales. En particular, la forma de la curva referente a la amplificación (directamente relacionada con la inversión de población entre los niveles que amplifican la radiación UV) se mejoró notablemente respecto a resultados previos. Asimismo, la amplificación obtenida seguía la tendencia de los experimentos. Sin embargo, mostraba algunas discrepancias que podrán se explicadas por aproximaciones del código. En definitiva, este proyecto ha dejado corroborada la necesidad de implementar una distribución electrónica que estuviese acorde con la física de los experimentos realizados. Además, deja abiertas varias líneas de trabajo que seguramente permitan mejorar el código hasta ahora conseguido gracias al esfuerzo y al trabajo realizado por los investigadores dedicados a este campo, incluyendo todos los proyectos realizados por mis compañeros de grado.