Experimental studies for generation, transport and applications of ultra-fast laser driven x-ray sources

Resumo

En esta Tesis se han presentado los fundamentos necesarios de la Física de Plasmas para una mejor comprensión de la generación, transporte y aplicaciones de fuentes de rayos X generadas por pulsos láser ultra-cortos (30 fs) y ultra-intensos (>1018W/cm2). En la primera mitad de la Tesis se han descrito los principales mecanismos de la generación y aceleración de electrones en “under dense plasmas” mediante el proceso conocido como Laser Weakfield Acceleration (LWFA) y también en “over dense plasmas” mediante el mecanismo conocido como Target Normal Seath Acceleration (TNSA). Por un lado se ha construido caracterizado y testado un microscopio ajustable Kirkpatrick-Baez (KB) en condiciones experimentales reales mediante fuentes de radiación X generadas por láser. Es importante resaltar que la singularidad de la óptica utilizada en cuanto a la tecnología usada en los espejos. Se ha usado, como "espejos” del KB dos placas de 50 mm silicio recubiertos de una capa de platino de 50 nm como recubrimiento. También hemos descrito cómo los rayos X generados por ambos mecanismos (LWFA y TNSA) en forma de radiación betatron y bremsstrahlung han sido guiados yes ha podido hacer imagen con éxito con ellos mediante el microscopio ajustable KB en los experimentos de aceleración de protones 1 y 2. Por otra parte hay que decir que algunas mejoras se pueden implementr aun en este diseño de KB tales como usar espejos de mayor superficie para mejorar la señal o modificar la sujeción de los espejos a la estructura de flexión. Además también es posible reemplazar el ajuste del tilt (inclinación) del tornillo micrométrico por un actuador piezo-eleéctrico quedando así el sistema totalmete automatizado. También se pueden añadir transductores mecánicos para futuros diseños. En esta Tesis también se han conseguido generar fuentes de rayos X de tamaño de tamaño micrométrico con el fin de aplicarlo en experimentos de Radiografía por Contraste de Fase. Ha sido posible usar fuentes de rayos X incoherentes tales como Betatrón (espacialmente incoherentes) y Bremsstrahlung para llevar a cabo satisfactoriamente Radiografías por Contraste de Fase. En el primer experimento, la radiación Betatrón generada mediante LWFA ha sido producida focalizando el láser Vega-2 en un chorro de gas de helio puro. Los rayos X generados han sido usados para hacer Radiografía por Contraste de Fase de una muestra biológica microestructurada. El segundo experimento ha consistido en focalizar el láser PHELIX sobre filamentos de tungsteno de 5 micras de espesor para generar radiación Bremsstrahlung en un blanco con tamaño de fuente limitado. En esta última ha sido usada para realizar Radiografías por Contraste de Fase de una onda de choque (generada por una sección del láser PHELIX) viajando a través de blancos (targets) con alta transmisividad de rayos X. El éxito obtenido en los resultados de esta experimento han confirmado la posibilidad de implementar la técnica de Radiografía por Contraste de Fase un futuros experimentos de Fusión por Confinamiento Inercial (ICF). El próximo paso podrían ser estas fuentes de rayos X basadas en target de tamaño reducido (por ejemplo, los filamentos de tungsteno usados anteriormente) en experimentos y en instalaciones donde sea posible disparar a alta tasa de repetición (HRR) para varias aplicaciones en Radiografía por Contraste de Fase facilitando así la estadística. Creemos también que es necesario un desarrollo en paralelo de un soporte de los targets adaptado para trabajar en régimen de la alta tasa de repetición. Palabras clave: Microscopio Kirkpatrick-Baez, Transporte de rayos X, Imagen por rayos X mediante Contraste de Fase