Design and Construction of a Radiation Source of Extreme Flux

Abstract

[EN]The present thesis consists of the design and construction of an X-ray source through the interaction of an ultra-intense laser with a solid and/or liquid target. Specifically, the laser technology suitable for this purpose has been investigated, the characteristics of the laser-matter interaction have been studied and possible applications of the generated X-radiation (and accelerated electrons) have been explored.

Nowadays, the development of sources of ionizing radiation through laser-matter interaction has allowed access to pulsed X-ray beams with ultra-short duration and extreme instantaneous fluxes. This implies the possibility of studying the interaction of X-rays with matter in regimes impossible to reach by conventional sources.

This thesis aims, on the one hand, to develop a laser driven X-ray source of extreme flux that allows future studies on non-linear damage. And on the other hand, to explore possible improvements to this type of source that allow greater stability, make them more profitable and easier handling than currently available. In this sense, the use of a liquid jet for the production of X-rays has been analysed in order to solve the drawbacks of solid targets. This type of targets allows to maintain a profile of stable density shot to shot and consequently a reproducible X-ray production. After the development of the X-ray source, its possible applications have been studied. In particular, it has been analysed how it can be used to perform X-ray fluorescence experiments.

[ES]La presente tesis consiste en el diseño y construcción de una fuente de rayos X mediante la interacción de un láser ultraintenso con un blanco sólido y/o líquido. Más concretamente, se ha investigado la tecnología láser adecuada a este n, se han estudiado las características de la interacción láser-materia y se han buscado posibles aplicaciones de la radiación X (y electrones) generados. Hoy en día, el desarrollo de fuentes de radiación ionizante mediante interacción láser-materia ha permitido tener acceso a haces pulsados de rayos X con duración ultracorta la radiación producida hereda las características del láser que la genera- y ujos instantáneos extremos. Esto supone la posibilidad de estudiar la interacción de rayos X con la materia en unos regímenes imposibles de alcanzar por fuentes convencionales. Mientras que un pulso de rayos X generado por láser tiene una duración de cientos de femtosegundos o unos de pocos picosegundos, un tubos de rayos X convencional produce pulsos en el régimen de los microsegundos. Así mismo, los ujos instantáneos alcanzados maximizan los posibles efectos no-lineales, es decir, una serie de efectos que suceden cuando una gran concentración de fotones da lugar a que dos, o más, fotones interaccionen simultáneamente sobre la materia. Si nos concentramos en la producción de rayos X por láser, hoy en día podemos encontrar montajes relativamente sencillos capaces de producir pulsos de rayos X usando intensidades láser moderadas (en el rango de 1016 1017W=cm2). En estos montajes, típicamente un láser de femtosegundo es focalizado en un blanco sólido produciendo en los primeros instantes la ionización de la muestra. Cuando la parte principal del pulso llega, el láser interacciona con un plasma en expansión más que con el target sólido en s . En esta interacción, los electrones son extraídos del plasma por el campo eléctrico del láser, acelerados y reinyectados en él. En este proceso, se produce tanto radiación de Bremsstrahlung, por la pérdida repentina de energía de los electrones reinyectados, así como rayos X característicos del material del target, por la creación de vacantes en las capas internas de los átomos del material que son rápidamente ocupadas por los electrones en capas superiores. Los rayos X así producidos tienen inherentemente las características temporales del pulso láser. Aunque el montaje para obtener una fuente de pulsos ultracortos de rayos X generados por láser es relativamente sencillo, no está exento de inconvenientes. Si se usa un blanco sólido, es necesario mover el blanco para que el siguiente pulso del láser encuentre una zona limpia del material y la producción de radiación sea e ciente. Esto limita la reproducibilidad de la producción de rayos X debido a que hay que asegurar las mismas condiciones en el movimiento del blanco. Así mismo, la zona de material sin utilizar es limitada, y eventualmente el blanco debe ser sustituido. Así pues, uno de los requisitos para futuros desarrollos desde el punto de vista de la tecnología láser es la de disponer de fuentes de radiación ionizante con mayor control de las características de la radiación, fuentes más amigables para el usuario y suficientemente robustas para permitir medidas sistemáticas