Estado del arte en México sobre los modelos numéricos aplicados al estudio de la atmósfera solar y el medio interplanetario

El Sol es un objeto de extraordinaria belleza y fascinación que ha motivado gran interés desde hace miles de años. Tiene una constante interacción con el entorno terrestre, la vida y la sociedad en general de nuestro planeta. La interacción con la Tierra se da de diferentes formas, por ejemplo, por medio del viento solar y las eyecciones de masa coronal. Adicionalmente, también existen eventos transitorios en la superficie solar, tales como los chorros de plasma o jets, que son omnipresentes en la atmósfera solar, y se observan principalmente sobre el disco y el limbo del Sol. En el caso de las simulaciones numéricas de jets de escala menor en la atmósfera solar, existen varias investigaciones al respecto en México. Especialmente, se han llevado a cabo simulaciones numéricas magnetohidrodinámicas (MHD) en 2D y 3D en la región fotosfera-corona, enfocadas principalmente en la propagación de ondas MHD y en la formación y evolución de chorros de plasma de escala menor, tales como las espículas. En lo referente a las investigaciones sobre el modelado del viento solar y las eyecciones de masa coronal en el medio interplanetario, en el país se han desarrollado modelos analíticos, semi-analíticos y numéricos. En la actualidad se cuenta con un modelo en 3D, capaz de simular corrientes de viento solar y describir la propagación de eyecciones de masa coronal en el medio interplanetario. Las investigaciones mencionadas anteriormente son de nivel internacional, y por lo tanto compiten con las grandes colaboraciones mundiales. En la última década ha habido un auge importante en la investigación e infraestructura relacionadas al estudio de fenómenos en el Sol en México. Particularmente, las nuevas generaciones de estudiantes se interesan en los temas, lo cual representa un excelente indicativo para el futuro de la física solar, la física espacial y el clima espacial en nuestro país.

Física e Ingeniería de plasmas en el combate al cambio climático

De continuar con el ritmo actual de emisiones de gases de efecto invernadero, en el año 2040 estaremos sobrepasando el límite establecido en los acuerdos de Paris que era de máximo 1.5°C para que la Tierra no se viera sometida a cambios violentos de clima. Actualmente, se ven ya efectos en el aumento de la temperatura de más de 2°C en extensas regiones de los océanos, se tienen además sequias prolongadas y eventos meteorológicos violentos. Se efectuará una descripción general de las tecnologías de plasma actualmente aplicadas para mejorar nuestro medio ambiente; seguido de proyectos desarrollados en el Laboratorio de aplicaciones de plasmas, destacando la importancia de la herramienta de espectroscopia de emisión óptica para comprender mejor y optimizar estas técnicas. Específicamente, se verá el impacto de temperaturas de rotación y de electrones, así como las especies químicas clave para mejorar los diferentes procesos (p. ej., •O, O(1D), •OH, e-). En particular, gracias a los resultados de la comunidad científica, las tecnologías de plasma son una ruta prometedora en una amplia gama de aplicaciones relacionadas con los impactos negativos de la crisis climática. En el presente congreso se presentarán algunas de los avances de la tecnología de plasma en algunos efectos del cambio climático, como por ejemplo, en la disminución de las condiciones de estrés en semillas debido a las sequías prolongadas y que inhiben la germinación o el crecimiento normal de las plantas, en la inactivación de virus tipo que han proliferado con el aumento de temperaturas, la síntesis de nanopartículas de carbono con plasmas térmicos para construir supercapacitores amigables con el medio ambiente y, por último, el tratamiento de gases tóxicos y la conversión de gases de efecto invernadero en gases energéticos.

Aplicación de un plasma de barrera dieléctrica en configuración planar sobre semillas de Lactuca Sativa como tratamiento en la mejora de germinación

La aplicación de descargas de barrera dieléctrica ha mostrado resultados prometedores en diversas áreas, incluyendo la agricultura moderna. En el siguiente trabajo se muestran los resultados del tratamiento de semillas de Lactuca Sativa mediante una descarga de barrera dieléctrica (DBD) en una configuración planar, el plasma generado por DBD involucra procesos de ionización y excitación generados por impacto electrónico, así como la formación de especies reactivas las cuales son identificadas a partir de espectroscopia óptica de emisión. En la agricultura, la mayoría de las semillas de cultivos se dispersan en un estado seco y maduro durante el almacenamiento. La germinación de semillas es un proceso fisiológico complejo que involucra vías de señalización estrictamente reguladas afectadas por una combinación de factores ambientales y endógenos. La fase de germinación temprana culmina con la ruptura de la testa, seguida por la fase de germinación tardía y la ruptura del endospermo. En concreto, el tratamiento mediante DBD facilita el proceso de aflojamiento de la pared celular, así como la protrusión y elongación de las radículas, mejorando la tasa de germinación. La caracterización eléctrica del reactor para generar DBD, así como el mecanismo físico-químico y celular del efecto del plasma en las semillas se discuten a profundidad. Los autores agradecen al proyecto UAEMéx 6743/2022CIB y a la beca CONAHCyT de estudios de posgrado en Ciencias CVU 963792.

Simulación experimental de relámpagos en la atmósfera de Júpiter

Los relámpagos en la atmósfera de Júpiter ha sido detectados mediante observaciones con telescopio y satélites artificiales. Sin embargo aún no se conoce bien el mecanismo que los genera y las alturas a las que se producen. Mediante una simulación de laboratorio el presente trabajo busca reproducir algunas de las características de ellos, tales como espectro de emisión, densidad electrónica, etc. Para los experimentos se utilizó una atmósfera sintética hecha de 90% hidrógeno y 10% helio. Las descargas se generan con un pulso de alta tensión producido por un generador Marx. La tensión pico es de 325 kV y corriente pico de 3.2 kA con tiempo de frente de 1.2 μs. Las descargas se hacen dentro de una cámara hiperbárica en la cual la presión se varió de 0.5 a 2.0 atmósferas. Los diagnósticos empleados fueron básicamente fotografía ultrarrápida y espectroscopía resuelta en el tiempo Los espectros muestran la presencia de radiación continua (bremsstrahlung), líneas de la serie de Balmer del hidrógeno y líneas de helio tanto neutras como ionizadas. La evolución temporal de la emisión de la descarga es muy dinámica, por ejemplo: el multiplete centrado en 468.57 nm de He ionizado se aprecia claramente a t~1 μs que es cuando la corriente del arco está en su máximo pero a tiempos más largos, t=10-40 μs, la línea desaparece debido a que la temperatura del plasma ha disminuido. Los resultados muestran que el ancho (y, por tanto, la densidad electrónica) de las líneas H-alfa y H-beta es función de la presión ambiente. Por ejemplo, a tiempo fijo t=5 μs la densidad electrónica a 2 atmósferas de presión es de 7.45 ×10 ¹⁷ cm^-3 la cual decrece a 4×10 ¹⁷ cm^-3 cuando la presión baja a media atmósfera.

Modelado de un sistema tipo onda-flujo zonal en ambientes ionosféricos

En plasmas toroidales del tipo del tokamak uno de los principales mecanismos existentes para regular la turbulencia del plasma es la interacción emergente entre el flujo zonal y las ondas de deriva. En dicho sistema, el flujo zonal afecta las ondas reduciendo su escala radial lo que produce una disminución en la difusión radial de energía. A su vez, las ondas generan el flujo zonal manteniéndose una interacción autoregulada. La interacción anterior puede reducirse a un modelo de tipo depredador-presa, donde la presa es la energía de las fluctuaciones, mientras que el depredador es representado por la energía del flujo zonal. El objetivo de este trabajo es la realización de un modelo análogo que considere la interacción entre las ondas acopladas de Rossby-Alfvén-Khantadze con los flujos y campos zonales existentes en la región E de la ionosfera a grandes latitudes. Dichas ondas representan el análogo a las ondas de deriva en ambientes geostróficos junto con las fluctuaciones del campo magnético. Las ecuaciones para este modelo fueron deducidas a partir de las ecuaciones de momento que rigen la capa E y la ley de Ohm generalizada sin considerar resistividad. El modelo consta de 4 ecuaciones acopladas, cada una describiendo la evolución temporal de la enstrofía, la energía de las fluctuaciones magnéticas y la energía del campo y flujo zonales. Estas ecuaciones se resuelven en el tiempo mostrando la interrelación entre fluctuaciones electromagnéticas y efectos colectivos zonales.

Efectos de la viscocidad en los flujos poloidales inducidos por una corriente radial. Confinamiento mejorado de partículas

Cuando se aplica un voltaje a las placas del diversor respecto de la cámara o mediante un electrodo polarizado, en un tokamak o un estelerador, se genera una corriente eléctrica radial. Con esta corriente se puede inducir un campo eléctrico radial el cual modifica la viscocidad poloidal y toroidal lo que impacta en el control del transporte en función de la polaridad del campo eléctrico radial. Se ha mostrado [1, 2] que estos procesos surgen por la turbulencia en el balance de momento a través del efecto de la viscosidad y de la inercia anómala reflejadas en un aumento de la velocidad de rotación toroidal. Esta rotación toroidal a su vez controla la rotación poloidal del plasma promediada respecto de las superficies de flujo magnético. En este trabajo, se analiza el efecto de la viscosidad poloidal en el campo eléctrico radial y sus efectos en el control del transporte de partículas. Se muestra que la inclusión de estos efectos anómalos permiten explicar los valores experimentales de la corriente obtenidos. Se realiza una comparación entre las corrientes experimentales y el campo eléctrico radial definido por medio del voltaje aplicado $U$ y la distancia $d$ entre el electrodo y el limitador, $E_r =U/d$, simulado con la técnica PIC (particle-in-cell)[3]. \end{abstract} \noindent [1] V. Rozhansky and Tendler, Phys. Fluids, B4, 1877 (1992). \noindent [2] M. Coronado and J. N. Talmadge, Phys. Fluids B5, 1200 (1993). \noindent [3] C K Birdsall and A B Langdon, \textit{Plasma Physics via Computer Simulation}, Taylor \& Francis, Boca Raton, FL, USA, 2004.

Identificación de estructuras a gran escala en el viento solar desde la corona baja hasta 1 UA

El viento solar (SW) transporta plasma y campo magnético desde la atmósfera solar baja hasta la Heliosfera exterior de una manera altamente fluctuante que va desde pequeñas corrientes estructuradas (los llamados espaguetis) hasta estructuras de gran escala como las corrientes de alta velocidad (HSS) y eyecciones de masa coronal interplanetarias (ICME). La identificación de esas estructuras en los datos “in situ” ha sido una tarea difícil a una unidad astronómica (v. g. con datos de las naves Wind, ACE, DSCOVR y STEREO-A) y es mucho más compleja a distancias heliosféricas menores, disponibles ahora con misiones como Parker Solar Probe (PSP) y Solar Orbiter. Por lo general, este método de identificación requiere mucho tiempo y es ambiguo, ya que se basa en el juicio del observador. No se toman en cuenta las características estadísticas de la estructura, ni los cambios causados por la evolución y la propagación a través del viento solar ambiente. En este trabajo presentamos un estudio estadístico de las fluctuaciones típicas de los parámetros del SW que se pueden usar como rastreadores para identificar automáticamente la llegada de estructuras de gran escala a cualquier distancia desde algunos radios solares hasta una unidad astronómica e incluso distancias más grandes. Proponemos una metodología para discernir entre estructuras “unitarias” que viajan en el medio interplanetario y estructuras complejas formadas por la interacción de dos o más estructuras de gran escala.

Usando sunRunner3D para interpretar la estructura global de la heliosfera a partir de mediciones in situ

Comprender la estructura tridimensional a gran escala de la heliosfera interna, si bien es importante por sí misma, es crucial para las aplicaciones de clima espacial, tales como el pronostico del tiempo de arribo y la propagación de las eyecciones de masa coronal (EMC). En este trabajo, aplicamos sunRunner3D, un modelo magnetohidrodinámico (MHD) en coordenadas esféricas en 3D, para simular corrientes de viento solar y generar estados de relajación en los marcos de referencia inercial y rotante. SunRunner3D emplea las condiciones de frontera generadas por CORHEL/MAS y el código PLUTO para calcular las propiedades del plasma del viento solar con la aproximación de la MHD ideal hasta aproximadamente 1.1 AU en la heliosfera interna. Demostramos que sunRunner3D reproduce características globales de corrientes de viento solar en ambos marcos de referencia, incluyendo regiones corrotantes de interacción (CIRs por sus siglas en inglés) observadas por naves espaciales cercanas al entorno de la Tierra (~1 AU), tales como WIND y ACE, cuyas mediciones in situ están contenidos en la base de datos de OMNI; además usamos mediciones de Parker Solar Probe y STEREO-A para un conjunto de rotaciones de Carrington que cubren un período que se encuentra en el mínimo de ciclo solar 24. Adicionalmente, llevamos a cabo un análisis estadístico en términos de la comparación de los resultados de las simulaciones en ambos marcos de referencia con las mediciones in situ, los cuales mostraron que sunRunner3D obtiene resultados similares a códigos ampliamente usados en simulaciones en la heliosfera interna, tales como MAS. Finalmente, en un estudio complementario, describimos cómo se aplica sunRunner3D para modelar y pronosticar las EMC.

Modelado de la estructura magnética interna de las eyecciones de masa coronal usando una cuerda de flujo toroidal

Las eyecciones de masa coronal (EMC) son grandes expulsiones de plasma y campo magnético de la corona solar que interactúan con el viento solar. Las EMC expulsan importantes cantidades de material coronal y transportan un campo magnético intenso, lo cual puede causar tormentas geomagnéticas, auroras, choques interplanetarios y afectar a satélites, astronautas, radiocomunicaciones y redes de energía eléctrica en la Tierra. Por los motivos anteriores, el conocimiento de la dinámica de las EMC y el viento solar es crucial para comprender la interacción de la Tierra con el Sol, conocido como Clima Espacial. El objetivo central del presente trabajo, es modelar la estructura magnética interna de las EMC y su interacción con el viento solar en la heliosfera interna utilizando simulaciones numéricas magnetohidrodinámicas en tres dimensiones esféricas. En el caso particular de las EMC, las consideramos como nubes magnéticas que se asemejan a cuerdas de flujo interplanetarias y las modelamos mediante una cuerda de flujo toroidal. Para la propagación de las EMC, generamos primeramente un estado de viento solar ambiente utilizando el modelo sunRunner3D, y las EMC se inyectan como condiciones de frontera dependientes del tiempo en la frontera radial interna (r=0.14 AU) dentro del mismo modelo. Finalmente, para validar los resultados de las simulaciones, los comparamos con mediciones in-situ cercanas al entorno terrestre (~1 AU), obtenidas por WIND y ACE.

Análisis fisicoquímico del agua activada por plasma y su aplicación en la agricultura

El agua activada por plasma (AAP) se obtiene cuando interactua el plasma con agua de riego durante un tiempo de exposición determinado; esta interacción da lugar a la formación de nuevas especies químicas en el agua y, en consecuencia, cambios fisicoquímicos. Se ha demostrado que el AAP presenta un gran potencial como estrategia para mejorar la calidad microbiológica de los alimentos y estimular la germinación de semillas; además, tiene un gran potencial que puede ser usado en muchas áreas de aplicación, por ejemplo, medicina, odontología, ingesta de alimentos, agricultura, ambiente, entre otros. El presente trabajo de investigación se centra en el análisis de propiedades fisicoquímicas del agua activada por plasma, tales como pH, conductividad eléctrica, temperatura, concentración de nitratos y nitritos; en donde muestras de agua se sometieron al plasma a presión atmosférica para poder observar su variación en función del tiempo de interacción y su aplicación en la siembra de semillas de frijol ayocote. Los resultados indican una disminución del pH, un aumento de la conductividad eléctrica y en la concentración de nitratos y nitritos en función del tiempo de activación del agua. Las semillas regadas con agua activada por plasma germinaron en 5 días en promedio, con respecto al mayor crecimiento en menos tiempo, el tratamiento más notable fue el de 20 minutos, donde se reportó mayor número de germinación de semillas, un crecimiento acelerado de la planta, presentando mejores características en comparación a los demás tratamientos y al testigo. El tratamiento resultó favorable para acelerar la germinación y desarrollo de la planta. Los autores agradecen a los proyectos DGAPA IN105519, PRODEP DSA/103.5/15/6986, PROMEP 103.5/13/6626, PRODEP CA-5511-6/18-8304 y PII-43/PIDE/2013; CONACyT 268644 y UAEMex 6743/2022CIB.

Exploración de los efectos de los métodos numéricos en simulaciones magnetohidrodinámicas de la propagación de corrientes de viento solar en la heliosfera interna

En el presente trabajo, exploramos el efecto de los métodos numéricos sobre la propagación de corrientes de viento solar simuladas con el modelo sunRunner3D. Dicho modelo, usa las condiciones de frontera generadas por CORHEL/MAS y el código PLUTO para calcular las propiedades del viento solar por medio de la aproximación de la magnetohidrodinámica ideal. Para llevar a cabo el análisis central de este trabajo, seleccionamos el conjunto siguiente de rotaciones de Carrington: CR2210, CR2215, CR2220, CR2230, CR2250 y CR2260. Dichas rotaciones de Carrington, se encuentran entre el 26 de octubre de 2018 y el 17 de agosto de 2022, y la mayoría de ellas describen condiciones de mínimo solar, es decir, en donde es poco probable que aparezcan eyecciones de masa coronal. En los diferentes casos de estudio, usamos PsiPy para comparar los resultados de las simulaciones con mediciones in-situ de Parker Solar Probe, WIND y ACE, estas últimas registran las condiciones del viento solar cercanas al entorno terrestre (~1 AU). De acuerdo a los resultados obtenidos, encontramos que la combinación más difusiva de los algoritmos hace que las variaciones en densidad y velocidad sean más suaves, en cambio la combinación menos difusiva es capaz de capturar variaciones más bruscas, en particular cuando hay corrientes de viento solar rápido. Sin embargo, desde el punto de vista cualitativo y cuantitativo, las diferencias son mínimas, ya que con todas las combinaciones de algoritmos numéricos obtuvimos resultados aceptables en términos de su comparación con mediciones in-situ. Por lo tanto, lo anterior abre la posibilidad de usar algoritmos menos robustos en simulaciones numéricas de corrientes de viento solar en la heliosfera interna, sin que se tenga una pérdida de precisión, pero con un ahorro significativo en tiempo computacional.

Uso de modelos fluidos para estudiar el comportamiento del plasma en micro propulsores iónicos

El análisis de un plasma por medio de modelos fluidos es un área bastante conocida dentro de la magnetohidrodinámica, sin embargo, al pasar al caso de la micro propulsión iónica, en la actualidad no existe un modelo que permite conocer todo el comportamiento del propulsor. El objetivo del presente trabajo es mostrar cómo funcionan los modelos fluidos enfocados en el análisis de micro propulsores iónicos. Se realizó una revisión de la literatura donde se analizaron los avances realizados en este campo, los principales retos y áreas activas de desarrollo, así como la fidelidad de los modelos fluidos respecto a los datos obtenidos de forma experimental. Los resultados obtenidos muestran que el uso de modelos fluidos han contribuido significativamente al entendimiento de los micro propulsores iónicos, sin embargo, todavía existen áreas en las que no se pueden analizar todos los fenómenos con modelos fluidos. Se concluye que este tipo de modelos son una herramienta prometedora para facilitar el desarrollo y fabricación de sistemas de micro propulsión iónica.

Análisis de los errores en la aproximación multifrecuencia y multiconstelación del contenido electrónico total (TEC) de la ionósfera

La medición del estado de la ionósfera ocupa la atención de muchos investigadores en el mundo dada la importancia que ha tomado en el tema del clima espacial. El estudio de la ionósfera se realiza por diversos métodos, dentro de los cuales existe uno, que se utiliza en todo el mundo, que usa los datos del sistema GNSS (Global Navigation Satellite Systems) para aproximar el contenido electrónico total de electrones (TEC), que es una medición equivalente a la densidad del plasma ionosférico. Esta aproximación ya ha sido probada por muchos grupos de investigación y lleva una ruta de estandarización por su uso global, sin embargo, se ha encontrado que hay una cantidad de errores tanto en el procesamiento de la información como en la interpretación. En este trabajo se pretende explorar las diferentes fuentes de error que existen en esta aproximación con el fin de mejorar las aproximaciones de TEC utilizando para ello la totalidad de observaciones GNSS disponibles, así como los modelos ionosféricos que existen. Para este proceso se elegirán una serie de receptores GNSS distribuidos a latitudes ecuatoriales y bajas, para analizar las diferencias entre los valores del TEC aproximados y la metodología para la remoción de errores, tomando como referencia datos multifrecuencia y multiconstelación (e.g. GPS, GLONASS, Galileo y Beidou). Finalmente, se comparará la estimación del TEC usando los datos crudos y los datos filtrados a través del uso de combinaciones lineales disponibles en la literatura científica.

En búsqueda de parámetros simulados de ionización y transporte en las mezclas de THF-H2O auto consistentes con los obtenidos experimentalmente con la Técnica Pulsada de Townsend

Hay una importante actividad a nivel mundial por comprender las interacciones entre electrones de baja energía liberados por radiación ionizante y moléculas orgánicas presentes en el seno celular y, en particular, la 2-desoxirribosa presente en la cadena principal del ADN. Al no contar con esta molécula, los estudios se han dirigido hacia el tetrahidrofurano (THF, C4H8O), por su parecido en secciones y geometría. El primer paso en esta dirección ha sido estudiar la interacción en la fase gaseosa mediante la Técnica Pulsada de Townsend. Una segunda molécula relevante al tema es el agua (H2O), presente dentro de la célula, y que estudiamos en diversas mezclas gaseosas con THF. Para confirmar los coeficientes de ionización y transporte experimentales se ha buscado la simulación de éstos con un software gratuito llamado BOLSIG+, el cual resuelve la ecuación de transporte de Boltzmann truncada al segundo término. Los parámetros de ionización y transporte se obtienen a partir de las secciones eficaces de colisión reportadas en la literatura. Se espera contar a futuro con secciones confiables para simular las mezclas de estas dos moléculas y poder compararlas con las experimentales. Se agradece al CONACyT la beca de doctorado otorgada a G. Pérez y la asistencia técnica de G. Bustos, A. Bustos y H. Hinojosa. Este trabajo ha sido apoyado por el Proyecto PAPIIT-UNAM IN 118520.

Amplificación en la intensidad de emisión de la espectroscopia de rompimiento inducida por láser del vidrio transparente mediante el uso de productos basados en grafito o negro de carbón

La amplificación en la intensidad de emisión de la espectroscopia de rompimiento inducida por láser (LIBS) se ha logrado modificando diferentes características o parámetros de esta técnica. En particular, se ha obtenido mediante la deposición de nanopartículas (NP) en la superficie de la muestra, lo que se conoce como amplificación de la espectroscopia de rompimiento inducida por láser mediante el uso de nanopartículas (NELIBS) [1]. A través de la deposición de películas delgadas de Au sobre vidrio por pulverización catódica y su posterior irradiación con un láser pulsado de ns, se permitió simultáneamente la formación de NPs de Au y la amplificación de la señal LIBS del vidrio [2]. También se logró amplificar la señal LIBS utilizando capas de grafeno [3]. Sin embargo, la deposición previa de películas delgadas de Au o capas de grafeno, no es un proceso barato ni sencillo. De modo que se realizaron varias pruebas con productos basados en grafito o negro de carbón para aumentar la absorción. En primer lugar, se sobrepuso polvo de grafito sobre el portaobjetos de estudio, logrando la amplificación LIBS de la muestra; sin embargo, no fue un método cuantificable puesto que la onda de choque del plasma inducido por láser (LIP) arrojó el polvo en el primer disparo. En segundo lugar, se colocaron capas de pasta de electrodos de carbono, nuevamente se obtuvo la amplificación de la señal LIBS del vidrio, pero el vidrio estaba dañado en el centro debido a la distribución de energía gaussiana del haz láser. En tercer lugar, se implementó una técnica para pintar puntos pequeños de la pasta sobre el portaobjetos, fue exitosa pero no reproducible de acuerdo con nuestras herramientas en el laboratorio. Finalmente, utilizamos tiras de papel grafito que aseguran el mismo espesor de la capa absorbente y densidades de energía constantes. También se observó una amplificación de la señal LIBS del vidrio, por consiguiente se están desarrollando más pruebas para estudiar este método.

An 241 Am Plasma Desorption Ionization (AmDI) Source for Medical Applications

Introduction: The efficient development of low-cost and easy use of ionization methods represents an emerging area for medical applications. In the present investigation, a model 241Am Plasma Desorption Ionization (AmDI) Source is presented, which is a new method of desorption and ionization through the use of a radioactive element, americium-241, which can be found in smoke detectors and has a half-life of 432.2 years. Objective: Characterize the desorption ionization method using a radioactive element in different types of samples. Material and methods: One ion chamber disassembled from a smoke detector and conventional Tesla coil systems. The methodology used is divided into two parts: electromagnetic fields and ionization. Results: Different kinds of sample classes were tested using a radioactive element and its effects exhibit the ionization method is suitable. Conclusions: A new ionization method, AmDI, has been developed to characterize different types of samples for clinical use.

Simulaciones numéricas de la propagación de eyecciones de masa coronal en la heliosfera intera mediante un modelo tipo Spheromak

Las eyecciones de masa coronal (EMC) son grandes cúmulos (nubes) de plasma expulsados al espacio desde la superficie del Sol, y que generalmente tienen velocidades que oscilan entre los 250 km/s y los 3000 km/s. Tales EMC, interactúan con el viento solar ambiente que permea el medio interplanetario, y además pueden interactuar con el campo magnético de la Tierra, causando, por ejemplo, auroras boreales. Sin embargo, también tinen un efecto sobre los sistemas tecnológicos, tales como, satélites en órbita, sistemas de posicionamiento global, radiocomunicaciones, y redes eléctricas. Las EMC, también conocidas como tormentas geomagnéticas, forman parte de la interacción entre el Sol y la Tierra, conocido como Clima Espacial. En este trabajo, usamos el modelo sunRunner3D, el cual emplea las condiciones de frontera generadas por CORHEL, y el código PLUTO para resolver las ecuaciones de la magnetohidrodinámica (MHD) ideal en tres dimensiones esféricas y estimar las propiedades físicas del plasma que constituye a las EMC. En particular, para modelar las EMC, consideramos un modelo spheromak libre de fuerza lineal, el cual provee una estructura magnética intrínseca a las EMC. La propagación de las EMC se da sobre un viento solar ambiente generado por sunRunner3D para distintas rotaciones de Carrington. Finalmente, para comprobar la válidez de nuestro modelo, comparamos los resultados de las simulaciones numéricas con observaciones in situ cercanas a la Tierra, es decir a 1 AU, obtenidas por WIND y ACE

Resultados de la microscopia de fuerza atómica y microscopia Raman de diferentes CR39 sometidos a un tratamiento superficial con plasma atmosférico

El polímero “Poly-allyl-diglycol-carbonate” (CR39) es comúnmente utilizado como detector de radiación, y utilizado en la manufactura de lentes, de uso cotidiano y hasta lentes de sol, debido a sus propiedades ópticas, ya que tiene un índice de refracción parecido al del vidrio, y también que es un material transparente, pero con la ventaja de que este polímero es mucho mas ligero que el vidrio. Al momento de someter este polímero al tratamiento superficial por plasma atmosférico de tipo antorcha (gliding arc discharge) otro tipo de propiedades se modifican, como lo son la mojabilidad (hidrofobia e hidrofilia) y la rugosidad, en la superficie del polímero. Se realiza este tratamiento con la finalidad de generar un material con propiedades accesibles para la fabricación de lentes, además de que se realizan a un menor costo, en comparación con otros métodos. Los resultados de microscopia de fuerza atómica (AFM) justamente muestran perfiles de rugosidad aptos para mejorar la mojabilidad en la superficie, además de que esto se justifica con la medición de la energía superficial del polímero con respecto al tiempo de tratamiento. Por último, también se presentan resultados de microscopia Raman, con el fin de verificar cambios en los enlaces presentes en la superficie de CR39. Los autores agradecen al proyecto UAEMéx. 6743/2022CIB y a la beca nacional de estudios de posgrado CONAHCyT (787477).

Síntesis y caracterización de películas delgadas de Cu$_{2}$O obtenidas a partir de una mezcla de plasma de CO$_{2}$-N$_{2}$ utilizando el método Sputtering

En este trabajo se reporta el análisis de los resultados obtenidos de la mezcla de plasma CO$_{2}$-N$_{2}$ utilizando el método Sputtering con la intención de obtener películas delgadas de óxidos metálicos. Para la generación del plasma se utilizó dos electrodos de Cu separados a una distancia de 40mm aplicando una corriente de 500mA y un voltaje de 600V, a una presión de trabajo de 1 Torr utilizando un porcentaje de 80%-CO$_{2}$ y 20%-N$_{2}$, de donde el análisis de resultados se hiso mediante la técnica de espectroscopia Raman con la intención de verificar la estructura formada dentro de las películas delgadas encontrando los picos característicos para la estructura de Cu$_{2}$O, aunado a esto se analizó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM) la superficie de la muestra tratada encontrando aglomeraciones sobre la superficie analizada lo que hace que las superficie sea del tipo no-homogénea, de la misma forma se utilizó la dispersión de electrones (EDS) para verificar el balance estequiométrico de las películas delgadas obtenidas corroborando así los resultaos obtenidos mediante Raman.

Cambios en la velocidad de la onda de choque bajo la misma fluencia por diferentes áreas de spot

La fluencia es un parámetro muy reportado en diversos estudios como parte de los parámetros de los experimentos, por ejemplo, los pertinentes a la ablación láser (1,2). Pero este parámetro depende de dos factores: el área spot y la distancia del lente a la muestra, los cuales no suelen ser reportados. Cuando un pulso de láser se enfoca dentro de un dieléctrico transparente, se genera un plasma de alta densidad durante la ruptura óptica. El plasma en la región de ruptura alcanza un alto nivel de temperatura y presión debido a una deposición de alta densidad de energía en un volumen confinado del material (3). A esto le sigue una secuencia de modificaciones estructurales transitorias en la mayor parte del material. En este trabajo, se investigó la dinámica de la descomposición óptica (en un blanco de plata) inducida por un pulso láser de nanosegundos (Nd:YAG) mediante la aplicación de fotografía de sombras resulta en tiempo (4). Esto con el objetivo de variar el área de spot, mientras se mantenía la fluencia. Se encontraron diferencias en las velocidades de la onda de choque al variar el área del spot, lo cual hace ver la relevancia de reportar algo más que la fluencia.

Implementación del Método PIC (Particle In Cell) para la simulación de plasmas bajo la influencia de un campo eléctrico

En este trabajo se reportan los resultados obtenidos de la simulación de plasmas utilizando el método PIC (Particle In Cell) a partir del código construido en Python, el algoritmo PIC se utilizó con la finalidad de simular la dinámica de muchas partículas, para corroborar la simulación de plasma se simularon los fenómenos que sigue el modelo electrostático los cuales son: Inestabilidad Two-Stream y la Inestabilidad Beam-Plasma, además dentro del código se implementa un apartado sobre Inteligencia Artificial (IA) con la intención de ser más precisos en los resultados obtenidos de dichas simulaciones y facilitar la ejecución del algoritmo, por lo tanto el código implementado es una herramienta que permite conocer y estudiar los métodos numéricos para simular la dinámica del plasma y así entender los mecanismos físicos detrás de ella.

Exploración de especies iónicas negativas de vapor de agua en la avalancha de Townsend mediante fotodesprendimiento

El vapor de agua juega un papel crucial en la dinámica de la atmósfera. Diversos fenómenos ionizantes, predominantemente rayos cósmicos y descargas eléctricas, pueden formar distintas especies iónicas, positivas y negativas, que influyen en el proceso de formación de nubes y su impacto en el clima (Science 298, 1732, 2002). Las especies iónicas del vapor de agua son además de gran interés para estudiar la formación de cúmulos iónicos con otros gases atmosféricos, tales como O2 y CO2, encontrándose que a la fecha hay grandes discrepancias en las bases de datos disponibles para las secciones eficaces de su interacción con electrones [lxcat.net]. Se reporta los resultados preliminares del fotodesprendimiento de iones negativos de vapor de agua formados en la avalancha de Townsend [D. Cabello, Tesis Profesional, UAEM, 2022].. El intervalo de campo eléctrico normalizado a la densidad, E/N, fue de 70Td a 130Td, a una presión de 7 Torr. Se encontró la formación de una especie iónica transitoria en un corto intervalo de tiempo de hasta 300 ns, que es apenas comparable con la componente electrónica del transitorio. En este intervalo de tiempo, simulaciones previas con SIMAV (J. Urquijo, JPD 2013) reportan especies de iones de hidrógeno ($H^-$) e hidróxido ($OH^-$) en gran abundancia, con una afinidad electrónica de 0.754 eV (1644 nm) y 1.83 eV (688.8 nm) respectivamente (nist.gov). Para el experimento se utilizaron las longitudes de onda fundamental (1064nm) y el segundo armónico (532nm) de un láser de Nd:YAG. Los iones negativos H- y OH- son esenciales para la posterior formación de cúmulos a tiempos mayores, del orden de microsegundos. DCS agradece al CONAHCYT la beca de posgrado otorgada. Los autores agradecen la asistencia técnica de G. Bustos y A. Bustos. Investigación realizada gracias al Programa UNAM-PAPIIT IA101922.

Identificación y caracterización de tubos de flujo magnético en el medio interplanetario a pequeña escala

El presente trabajo partió de la corrección de los datos recabados del observatorio HAWC en el año 2019. El producto de esta corrección fue comparado con datos obtenidos por naves en el medio interplanetario y analizado para determinar la relación entre parámetros del viento solar con lo detectado por HAWC con el objetivo de ver la respuesta de HAWC ante estructuras coherentes en el viento solar. Posteriormente se pudo proponer una forma cuantitativa para la detección de eventos solares basándose en el comportamiento de las componentes del campo magnético, la magnitud del campo magnético total y la velocidad buscando los puntos en los que los cuales se observaba una relación directa entre los parámetros y un aumento en el número de detecciones del observatorio. Estableciendo límites a dichos parámetros, basados en su desviación estándar, se propuso un índice de viento solar. El objetivo del método aplicado fue simplificar el análisis de los datos cuantificando la rotación del campo magnético de forma que esta se pudiera tomar como referencia para la localizar dichos incrementos volviendo el proceso dependiente únicamente de un parámetro. Finalmente, se estudio la correlación entre los máximos de respuesta de HAWC y de los parámetros del viento solar para poder cuantificar la relación entre los mismos.

Variación de las respuestas óptica y acústica inducidas sobre hojas de café debido a su deshidratación paulatina

La relación entre el contenido de agua en hojas de café y su intensidad registrada mediante la técnica LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) fue analizada con la motivación de extrapolar los resultados a la producción de café y optimizar la cantidad de agua empleada en su proceso. Con el uso de un láser pulsado en nanosegundos enfocado de Nd: YAG a una longitud de onda de 1064 nm se produjo la emisión óptica del plasma de las hojas de café, previamente hidratadas durante 6 horas, capturando datos cada 20 minutos durante 3 horas. En cada toma se hizo un barrido de 3 mm en un área de la nervadura central de la hoja con dirección al pecíolo. El análisis se llevó a cabo tomando como referencia las líneas del magnesio II (279.54 nm) y calcio II (393.33 nm y 396.88 nm), cuya intensidad va en aumento de manera lineal conforme pasa el tiempo y la hoja se deshidrata. Este comportamiento se conserva hasta aproximadamente el minuto 100, donde la hoja pierde su presión de turgencia. Después de este tiempo la intensidad se comporta de manera aleatoria u oscilante. Simultáneamente, se llevó a cabo la detección de la onda de choque generada como consecuencia de la formación del plasma sobre la superficie de la hoja. La detección se realizó utilizando un transductor acústico y las mediciones se correlacionaron con la deshidratación de la hoja. Los resultados obtenidos del análisis mostraron que la intensidad del pico central de frecuencia tienen un comportamiento ascendente hasta aproximadamente el minuto 100, al igual que los resultados obtenidos con LIBS. Así mismo, a partir del punto de turgencia de la hoja la intensidad obtenida a partir de la señal acústica registrada tiende a mantenerse estable e incluso disminuir. Agradecimientos por el apoyo de PAPIIT IG100821.

Transporte de iones rápidos en un modelo de turbulencia débil en plasmas magnetizados

Una parte importante del calentamiento de un plasma de fusión confinado magnéticamente, se da mediante la termalización de iones energéticos, los cuales pueden ser inyectados como haces neutros o generados como producto de las reacciones de fusión nuclear (partículas alfa). Con esto se busca alcanzar las temperaturas necesarias para lograr la deseada eficiencia energética de los reactores. Para que los iones rápidos depositen su energía eficazmente deben mantenerse confinados ante los mecanismos de transporte presentes en el plasma, los que pueden ser colisionales o turbulentos. En el presente trabajo se estudia el transporte turbulento representado por un mapeo simpléctico obtenido de un modelo de ondas de deriva en turbulencia débil. La interacción de los iones energéticos produce trayectorias caóticas cuando la amplitud de las fluctuaciones eléctricas no es muy pequeña. A través de un código en Python, se estudió el transporte, bajo distintas condiciones incluyendo la presencia de diferentes flujos de plasma en dirección poloidal y funciones de distribución de velocidades de las partículas rápidas. En particular, se estudió el caso de un flujo cortante con dependencia lineal con el radio y un flujo zonal con dependencia radial gaussiana, bajo una distribución monoenergética de iones, la cual evoluciona con el tiempo debido a los efectos de las colisiones. Como resultado se estudió el tipo de transporte que caracteriza a los iones determinando si es difusivo, superdifusivo o subdifusivo. Adicionalmente, se estudiaron los efectos de no localidad mediante el análisis de la forma de las funciones de distribución de partículas. Todo esto bajo diferentes condiciones iniciales de las partículas energéticas.

Confinamento magnético de plasma en el Tokamak del proyecto ITER

En la actualidad se ha iniciado una búsqueda por nuevas formas de obtener energía de manera limpia y eficiente, y una de las posibles soluciones que se estudian es la fusión nuclear. Esto se logra a partir de recrear las condiciones físicas que existen en el interior de las estrellas para fusionar átomos simples como el hidrógeno, el deuterio y el tritio; y en el proceso liberar cantidades inmensas de energía. Una máquina capaz de imitar tales condiciones es el TOKAMAK, por sus siglas en ruso: cámara toroidal con bobinas magnéticas, que confina plasma Deuterio-Tririo a más de 150 millones de grados Celsuis mediante electroimanes superconductores. A pesar de que se ha demostrado que la fusión nuclear es más eficiente y segura que la fisión nuclear, aún no se ha logrado construir reactores de fusión que lleguen a la eficiencia requerida.$\\$ Con la documentación del proyecto ITER y numerosas investigaciones, se ha estudiado la interacción del plasma con los campos electromagnéticos generados por los electroimanes de un Tokamak, analizando las configuraciones de las diferentes bobinas que lo conforman (poloidales y toroidales) para el calentamiento y flujo del plasma. Se realizó una simulación en COMSOL Multiphysics 5.4 para analizar el proceso de inducción sobre el plasma y los procesos de fusión nuclear Deuterio-Tririo dentro de la cámara toroidal.

Análisis de un sistema de calentamiento por ondas ion ciclotrón en el experimento CMFX

El experimento CMFX (Centrifugal Mirror Fusion eXperiment) de la Universidad de Maryland se basa en confinar un plasma por medio de un espejo magnético y haciéndolo rotar alrededor de su eje para mejorar el equilibrio y la estabilidad. La rotación también calienta al plasma por viscosidad con lo que se espera alcanzar temperaturas muy altas. Además de este método se pretende implementar un sistema de calentamiento adicional usando la inyección de ondas electromagnéticas en el rango de la frecuencia de ciclotrón de los iones para alcanzar las temperaturas necesarias para la fusión nuclear. Para este sistema se han analizado las propiedades de propagación de las ondas usando el modelo de plasma frío, a fin de determinar las condiciones para que las ondas lleguen a la región de mayor densidad sin ser reflejadas. Se usa un perfil radial de densidad compatible con el del equilibrio MHD que tiene el máximo a la mitad del radio de la columna de plasma. El análisis se hace para dos métodos comunes de calentamiento: para la frecuencia del segundo armónico de un solo ion y para la frecuencia fundamental de un ion minoritario. Dentro del segundo esquema con dos especies de iones se considera la resonancia de ciclotrón del ion menos abundante y a la frecuencia híbrida ion-ion, intermedia entre las de los dos iones. Para la absorción de la onda se consideran efectos de plasma caliente (derivados de teoría cinética) y de la polarización de la onda, lo que permite estimar la energía absorbida. Se está también desarrollando una simulación de la propagación y absorción de las ondas usando COMSOL en el que se introduce el diseño de una antena de tipo de anillo para generar las ondas. Se mostrarán los avances logrados en la simulación.

Revisión del criterio de Lawson

El problema de la fusión nuclear controlada consiste en obtener mayor energía de las reacciones que la invertida en fuentes de calentamiento auxiliar, considerando las pérdidas por conductividad térmica, además de las diversas fuentes de radiación, ya sea de bremssrrahlung o de línea debida a impurezas en el plasma. John Dawson estableció en un reporte del Laboratorio de Harwell un criterio que establece que el producto de densidad y tiempo de confinamiento de energía a una cierta temperatura debe rebasar un umbral [1]. Sin embargo, su estimación se limitó a un cálculo de cero dimensiones, mientras el concepto debe ser adaptado a las condiciones de cada concepto de diseño. Recientemente el National Ignition Facility del Laboratorio Lawrence Livermore mostró diversas versiones para el concepto de confinamiento inercial [2], y Shumlack et al. han mostrado alternativas para un z-pinch estabilizado. También Guazzoto y Beth [4] han revisado el caso para el tokamak [4], considerando el modelo de dos fluidos. El propósito de este trabajo es presentar una revisión del tema, con objeto de comprender mejor las limitaciones del criterio. [1] J D Lawson, Proc. Phys. Soc. B 70 6 (1957) [2] H. Abu-Shawareb et al., Phys. Rev. Lett. 129, 075001 (2022) [3] U. Shumlak, E. T. Meier and B. J. Levitt, Fusion Science and Tech. (2023), DOI: 10.1080/15361055.2023.2198049 [4] L. Guazzoto and R. Betti, Plasma Phys. Control. Fusion 61 (2019) 085028 Editors' Suggesti

Determinación de contribuciones a la helicidad magnética en tubos de flujo debidas a torsión y retorsión

La helicidad magnética es una invariante topológica de la magnetohidrodinámica ideal que se puede extender al modelo de dos fluidos. Cuando se considera la resistividad, decae mediante difusión, al igual que el campo magnético, pero se conserva ante procesos de reconexión, lo que permitió formular un modelo de relajación para el Reversed Field Pinch [1], en donde juega el papel de una constricción ante la minimización de la energía del campo magnético. El propósito de este trabajo es establecer las contribuciones que se aportan en el caso no axisimétrico la torsión (twist) y la retorsión (writhe) que se presentan en tubos de flujo en fenómenos solares [2], experimentales [3], poniendo atención en campos magnéticos de stellarators y de rizo (kink) internos en tokamaks [4] y reversed field pinch [5] [1] J.B. Taylor, Rev. Mod. Phys. Rev. Mod. Phys. 58 (1986) 741 [2] A.J. Weiss et al. J. Geophysical Res.: Space Phys. 127 (2022) doi.org/10.1029/2022JA030898 [3] Gekelman, W., DeHaas, T., Prior, C. et al. SN Appl. Sci. 2 (2020) 2187 [4] W. A. Cooper et al. Nucl. Fusion 51 (2011) 072002 [5] R. Lorenzini et al. Nature Phys. 5 (2009) 570