Modelo no estacionario para determinar la estructura atómica en un plasma de fusión por confinamiento inercial

Durante los últimos años la física atómica ha vuelto a cobrar un papel fundamental en los planes de investigación, entre los que destacan aquellos dedicados al estudio teórico y experimental de la fusión nuclear. Concretamente, en el concepto de fusión por confinamiento inercial se pueden distinguir cuatro grandes áreas donde es básico el conocimiento de las propiedades atómicas de la materia. Estas son: 1. Modelado de la interacción entre haces de partículas o láser con la cápsula combustible 2. Simulación de blancos de irradiación indirecta mediante conversión a rayos X 3. Diagnosis de experimentos 4. Láseres de rayos X La modelación de los plasmas en fusión depende principalmente de la densidad electrónica. En fusión por confinamiento magnético (tokamaks), los plasmas tienen densidades bajas, por lo que, en general, es suficiente considerar un modelo corona, en el que la mayoría de los iones se encuentran en su estado fundamental o con un número pequeño de estados excitados, estableciéndose sus poblaciones mediante un balance entre la ionización colisional/recombinación radiativa y excitación/decaimiento espontáneo. Sin embargo, los plasmas característicos de la fusión por confinamiento inercial tienen densidades más altas, aunque, normalmente, no lo suficientes como para poder establecer condiciones de equilibrio local termodinámico (balance entre procesos colisionales). Estas densidades, que se podrían clasificar como intermedias, se caracterizan por la aparición de un mayor número de estados excitados por ión y por la importancia tanto de los procesos colisionales como radiativos. Además de lo expuesto anteriormente, en ciertos regímenes de plasma, las variables termodinámicas locales, fundamentalmente presión (densidad) y temperatura, varían fuertemente con el tiempo, de manera que cuando los tiempos característicos de esta variación son menores que los propios de relajación de los procesos atómicos, el sistema no puede tratarse en estado estacionario, siendo necesario resolver las ecuaciones de balance con dependencia temporal. Estas ecuaciones de tasa o de balance contienen una serie de términos que representan los distintos procesos mediante una serie de coeficientes cuyas expresiones dependen de las condiciones del plasma, por lo que el problema es fuertemente no lineal. Por otra parte, hay que añadir que si el medio es ópticamente grueso a la radiación, en las ecuaciones de tasa aparecen términos radiativos que incluyen el campo de radiación, por lo que es necesario resolver la ecuación de transferencia en cada línea o bien, utilizar otras aproximaciones, que sin resolver dicha ecuación, permitan tener en cuenta el campo de radiación en la línea. Por todo ello, el objetivo de esta Tesis se centra en el desarrollo de un modelo original para el cálculo de la distribución de los estados de ionización en un plasma de fusión por confinamiento inercial en condiciones de no-equilibrio termodinámico local, caracterizado por: 1. Resolución de las ecuaciones de balance en estado estacionario y con dependencia temporal, considerando a las distintas especies iónicas tanto en su estado fundamental como en posibles estados excitados. 2. Elección de especies iónicas y número de estados excitados en función de las condiciones de densidad y temperatura del plasma. En el caso de una evolución temporal el número de estados excitados y su distribución se adecúan en cada caso a las condiciones del plasma. 3. Tratamiento de medios ópticamente finos y gruesos, utilizándose para estos últimos una evaluación aproximada del campo de radiación en la línea. 4. Capacidad de acoplamiento a un modelo hidrodinámico a través de la temperatura electrónica, densidad y campo de radiación. Entre todas estas características, se debe hacer constar que las principales aportaciones originales se refieren, en primer lugar, a la forma original de resolver las ecuaciones de tasa con dependencia temporal, ya que se tiene en cuenta la evolución de todos los estados: fundamentales y excitados, frente a la hipótesis habitual de resolver las ecuaciones temporales sólo de los estados fundamentales, y suponer los excitados en estado estacionario, es decir, que siguen el comportamiento de su correspondiente fundamental. En segundo lugar, la elección del número de estados excitados por cada funda- X mental, que se realiza mediante un cálculo inicial donde se considera todos los iones del plasma en estado fundamental, para en función de las densidades de población obtenidas, elegir los estados fundamentales y sus correspondientes excitados que se deben considerar. Y por último, señalar que en el tratamiento de medios ópticamente gruesos se ha conseguido obtener una evaluación de la radiación absorbida por el plasma, independientemente de la geometría del mismo, sin necesidad de resolver la ecuación de transferencia en la línea, y sin acudir a otros métodos, que sin resolver dicha ecuación, necesitan la definición de una geometría para el plasma, por ejemplo, factores de escape. El modelo ha sido comparado y contrastado tanto con resultados teóricos como experimentales, observando unos resultados muy aceptables, de lo cual se deduce que el modelo es capaz de suministrar la evaluación de los parámetros atómicos en este tipo de plasmas. A partir de esta Tesis, el modelo se puede potenciar, a través de varias líneas de investigación que se han identificado: 1. Tratamiento de medios ópticamente gruesos con resolución de la ecuación de transferencia en las líneas. 2. Evaluación detallada de las secciones eficaces de los distintos procesos que tienen lugar en plasmas, y que aparecen en las ecuaciones de balance a través de los coeficientes de tasa.

Aplicación de la espectroscopia de reflectancia difusa (TRR) láser a la medida de parámetros de calidad en frutas.

La espectroscopia de reflectancia difusa (TRR o TDRS), técnica no destructiva ampliamente usada en aplicaciones biomédicas, se aplica por primera vez en este trabajo a la detección de propiedades ópticas relacionadas con parámetros de calidad en frutas. Mediante el uso de tecnologías de conteo de fotones y sistemas de iluminación láser, se ha desarrollado un procedimiento para registrar a la vez la cantidad de luz absorbida y la magnitud de dispersión de los fotones por el tejido atravesado. Los resultados previos indican adecuada sensibilidad del sistema a cambios en la fruta de firmeza, compuestos químicos y color, lo que sugiere un amplio potencial de desarrollo de sensores para la industria agroalimentaria.

Clasificación de frutos por su calidad interna mediante espectroscopia láser de reflectancia con resolución temporal (TDRS).

La determinación no destructiva de la calidad interna de la fruta ha sido un objetivo prioritario en las investigaciones recientes (Abbott, 1999). La espectroscopia en el infrarrojo (NIR) es aplicable a la cuantificación de compuestos químicos en alimentos; por otro lado se ha comprobado que el uso de láseres es interesante para la estimación no destructiva de la firmeza de los frutos. Sin embargo estas técnicas ópticas más tradicionales tienen el inconveniente de que miden la intensidad de luz transmitida sin poder diferenciar el efecto de la absorción óptica del efecto de la dispersión espacial que sufre la luz en el interior de los tejidos, lo cual dificulta la estimación independiente de aspectos físicos y químicos. La espectroscopia con resolución temporal es una técnica óptica desarrollada para el diagnóstico en medicina, que permite diferenciar ambos fenómenos (absorción y dispersión), proporcionando una caracterización óptica completa de los tejidos. El objetivo del presente trabajo ha sido la aplicación de esta técnica a frutas y hortalizas, y el desarrollo de modelos matemáticos de estimación no destructiva de su calidad interna para su uso en procesos de clasificación.

Empleo de la espectroscopia VIS NIR para la identificación de trazas de cacahuete en productos alimentarios en polvo

En el mundo existen ciertos grupos de población que muestran una hipersensibilidad a determinados alimentos, y cuya ingestión accidental desencadena, una respuesta del tipo “shock” anafiláctico. Esto ha obligado a las empresas alimentarias a estudiar de forma exhaustiva la gestión del riesgo de todos sus productos. El cacahuete es uno de los principales alérgenos en la industria. La espectroscopia NIR se ha utilizado recientemente para analizar la cantidad total de aceite y ácido grasos en cacahuete intacto (Sudaram y colaboradores, 2012). El objetivo de este trabajo es estudiar métodos no destructivos basados en espectroscopia para la detección de trazas de cacahuete en alimentos en polvo, como complemento al método genético reacción en cadena de la polimerasa en tiempo real (Real Time -PCR) desarrollado por el grupo de investigación TRADETBIO de la UCM, en el marco de colaboración en el Campus de Excelencia Internacional Moncloa. Los materiales utilizados fueron cacahuetes de cinco variedades de origen geográfico distinto y sometidas a diferentes tratamientos, proporcionadas por el Instituto de Materiales de Referencia CE, así como leche en polvo, cacao, harina de trigo, y cacahuete de diferentes marcas comerciales. Para todos ellos, se adquirieron dos series de espectros: en el infrarrojo cercano NIR (896-1686 nm), y los extraídos de imágenes hiperespectrales HIS (400-1000nm). La espectroscopia VIS se mostró sensible a las diferencias en el cacahuete en cuanto a su origen y/o tratamiento, ya que inducen cambios en el color, siendo inviable la separación entre los cacahuetes blanqueados, la leche y la harina en esta región espectral. Las principales diferencias entre los cacahuetes y el resto de ingredientes alimentarios se han encontrado en el rango NIR, específicamente en las longitudes de onda de (1207-1210 nm), relacionadas con una región de absorción de los lípidos. El infrarrojo permite 100% de segregación de cualquier tipo de cacahuete respecto al resto de los ingredientes alimentarios. La espectroscopia NIR combinada con las técnicas de imagen (hiperespectral o multiespectral) podría por tanto, ser aplicado para detectar trazas de cacahuetes en alimentos en polvo, no influyendo su origen y/o tratamiento, ya que es capaz de separar cualquier cacahuete del resto de los ingredientes alimentarios. Este método podría ser una técnica de cribado previo al método PCR de elevado coste.

Puesta a punto de métodos de análisis de combustibles basados en la espectrometría atómica

El presente proyecto tiene como objeto la puesta a punto de métodos de análisis de combustibles basados en la espectrometría atómica, centrándose en un equipo de absorción atómica que, como su nombre indica, funciona bajo el principio de la absorción atómica y un equipo ICP que trabaja por plasma acoplado inductivamente y que se rige bajo el principio espectrométrico de la emisión atómica. La finalidad de la puesta a punto de ambos métodos es llevar un control de calidad periódico sobre los combustibles. Se pondrán a punto dos métodos normalizados de ensayos, uno bajo la norma UNE EN 16135 para la determinación del contenido de manganeso en gasolinas; otro bajo la norma EN 16576 para determinar el contenido de manganeso y de hierro en gasóleos de automoción. La puesta a punto de ambos métodos tiene un procedimiento asociado que se puede resumir en cuatro pasos: lectura de la norma, creación del método en el software informático con el que trabaja el equipo, calibración del mismo y realización del estudio de exactitud del método. Abstract The aim of this project is to tune up analytical methods based on the principle of the atomic spectrometry, focusing on testing equipment which works under the principle of atomic absorption and Inductively Coupled Plasma (ICP) equipment governed under the principle of atomic emission. The purpose of tuning up both methods is to perform a quality control on fuels. Two different standard methods will be developed: One under the standard UNE EN 16135 for measuring the content of manganese in gasolines; the other one under the standard EN 16576 for the determination of manganese and iron content in middle distillate fuels. Tune up of both methods procedure can be summarized in four steps: Reading the standard, creation of the method on the computer software associated to the equipment, calibration of the equipment and completion of accuracy study.