Tesis:
Mejora de un código hidrodinámico con transporte de radiación en malla adaptativa refinada (AMR) y su aplicación a los láseres de rayos X.
- Autor: OLIVA GONZALO, Eduardo
- Título: Mejora de un código hidrodinámico con transporte de radiación en malla adaptativa refinada (AMR) y su aplicación a los láseres de rayos X.
- Fecha: 2010
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA NUCLEAR
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/4013/
- Director/a 1º: VELARDE MAYOL, pedro
- Director/a 2º: ZEITOUM, Philippe
- Resumen: En la actualidad existe un gran interés en el desarrollo de fuentes brillantes de radiación X blanda coherente. Diversas fuentes, como los Láseres de Electrones Libres (FEL), láseres de rayos X basados en plasmas inyectados o Armónicos de Alto Orden están disponibles actualmente para diversas aplicaciones en diversos campos como la biología [9] o la física [41]. Sin embargo, muchos experimentos que tratan de romper los límites del estado del arte actual en estos campos sólo se pueden realizar en láseres de electrones libres ya que requieren energías mayores de 10 µ J por pulso para obtener intensidades ultra-altas [101], por encima de 1016W/cm2 o para realizar imágenes con un solo disparo [15] de muestras que evolucionan en escalas de femtosegundos. Dentro de las citadas fuentes de radiación X coherente, los láseras basados en plasmas son realmente atrayentes ya que permiten obtener las energías más altas, hasta 10 mJ por pulso [86], sin embargo la coherencia es bastante baja, emitiendo pulsos de cientos de picosegundos de duración. Esta larga duración y la baja calidad óptica de estos pulsos impiden usar estos láseres en las aplicaciones más excitantes. Una manera de mejorar la coherenca, el frente de onda y reducir la duración de estos pulsos, manteniendo la energía a niveles altos consiste en inyectar un amplificador basado en plasma con Armónicos de Alto Orden [21, 108, 104, 103, 39, 73, 102]. Como era de esperar, la inyección de armónicos en amplificadores gaseosos da lugar a haces de gran calidad, con un alto grado de coherencia, polarización [108] y un frente de ondas limitado por la difracción [30]. Sin embargo, el pulso todavía es demasiado largo temporalmente, alrededor de 5 ps y la energía medida es de aproximadamente 1 µJ por pulso [108]. Ya que los amplificadores basados en blancos sólidos son más densos que los generados a partir de gases, es de esperar que la energía obtenida sea mayor y la duración de los pulsos menor. Sin embargo, los experimentos realizados hasta la fecha no han obtenido energías superiores a los 90 nJ ni pulsos sensiblemente inferiores a 1 ps [102]. Estos resultados muestran la necesidad de un estudio teórico de la inyección de armónicos en plasmas amplificadores creados a partir de blancos sólidos, que nos permita comprender los resultados experimentales y, a su vez, optimizar los amplificadores para obtener mayores energías y pulsos más cortos. Recientemente se ha realizado un estudio teórico que explicaría la razón de la larga duración temporal de estos pulsos a la vez que se indica una manera de obtener pulsos de 100 fs e incluso más cortos [105]. En esta tesis nos hemos centrado en el problema de la diferencia entre la energía extraída y la predicha, con la meta de producir láseres basados en la inyección de armónicos en plasmas que emitan decenas de microjulios por pulso. Para el estudio y optimización de estos amplificadores, se ha usado el código ARWEN [64]. Este código ya había sido usado previamente en este campo [14], pero ha sido mejorado en el marco de esta tesis para aumentar sus capacidades en sus campos de aplicación. Así pues, en esta tesis se presenta: Estudio teórico de las principales fuentes de radiación X coherente, haciendo hincapié en los láseres de rayos X basados en plasmas. El estado del arte así como la física de estos amplificadores son tratados con mayor profundidad. Descripción del código ARWEN, herramienta fundamental para el estudio de los plasmas amplificadores y de las mejoras introducidas en el código en el marco de esta tesis (trazado de rayos, paralelización de la conducción, salida en formato HDF, etc.). Así mismo se explican los programas usados en el postproceso de datos, necesario para el estudio de estos amplificadores Optimización de los amplificadores mediante simulaciones realizadas con ARWEN. Estas simulaciones parte de trabajos anteriores [14] y continúan el trabajo realizado, explicando los efectos que dan lugar a las diferencias de energías observadas experimentalmente y predi-chas teóricamente y proponiendo maneras de evitar estas pérdidas de energía, optimizando el blanco. Se presenta a su vez un estudio de la amplificación del haz en dichos blancos, observándose la necesidad de un pre-amplificador. Así pues, 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 en estos amplificadores.