Plasmas anulares generados por láser en campos magnéticos intensos pulsados
Date
2023
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Abstract
En esta tesis se presentan resultados experimentales de plasmas anulares producidos por láser bajo campos magnéticos intensos pulsados, con la principal motivación de medir por primera vez su velocidad angular vθ, además de caracterizar el sistema mediante sus valores de densidad ne y temperatura electrónica Te. Para lograr un plasma con esta geometría, un láser Nd:YAG 6 ns FWHM, 1 J, 532 nm, se hizo pasar a través de un prisma axícon y luego se enfocó en un blanco de Aluminio, con una intensidad de ∼ 2×109 W/cm2. Un campo magnético de ∼ 4.8 T en el centro del anillo, y perpendicular al target, es producido haciendo operar el generador de potencia pulsada Llampüdken (∼ 400 kA en ∼ 350 ns de subida) sobre un plano conductor de bronce. Se realizaron mediciones de Doppler shift para calcular vθ mientras que valores de ne y Te se obtuvieron utilizando técnicas de análisis espectroscópico mediante ensanchamiento Stark y Boltzmann Plot, respectivamente. Para ello se utilizó un espectrómetro Price-ton Instruments HRS-500 (150 g/mm y 2400 g/mm) logrando obtener mediciones en la dirección radial. Adicionalmente, se obtuvieron imágenes en el visible mediante un Gated Optical Imager (GOI). Perfiles de posición versus tiempo no muestran una variación significativa en el desplazamiento axial del plasma anular en ausencia o presencia de campo magnético, permitiendo estimar la velocidad de propagación en ∼ 15 km/s. Sin embargo, en la dirección radial se reporta una diferencia en la velocidad de expansión durante los primeros ∼ 30 ns de formación cuando se aplica un campo magnético externo. Espectros resueltos temporalmente a 1 mm del target muestran un aumento dos veces mayor en niveles de densidad y un incremento en la temperatura electrónica del ∼ 6 % durante los primeros ∼ 10 ns de formación cuando opera el generador. Mientras que mediciones realizadas a 3 mm evidencian resultados similares, pero durante un intervalo de expansión entre 40 − 80 ns. Se concluye que estos resultados se pueden deber a efectos de confinamiento debido a valores de β ∼ 10−4 − 10−1 y calentamiento v´ıa J × B. Todos los parámetros se encuentran entre ne ∼ (1015 − 1017) cm−3 y Te ∼ (1.0 − 1.6) eV. Valores de Doppler shift obtenidos mediante un análisis de espectros resueltos espacialmente no permiten obtener resultados concluyentes de vθ dado que las mediciones están por debajo de la resolución espectral de 0.5 ˚A.
Description
Tesis (Magíster en Física)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2023