L'application X-ray Imaging Cristal Spectroscopie pour l'utilisation en tant que haute température Diagnostic plasma
Summary
Les spectres de rayons X fournissent une mine d'informations sur les plasmas à haute température. Ce manuscrit présente le fonctionnement d'une résolution de longueur d'onde haute imagerie spatialement spectromètre à rayons X utilisé pour afficher des ions de l'hydrogène et l'hélium comme des éléments de numéro atomique moyen dans un plasma de tokamak.
Abstract
spectres de rayons X fournissent une mine d'informations sur les plasmas à haute température; par exemple la température électronique et la densité peut être déduite à partir des rapports d'intensité de la ligne. À l'aide d'un spectromètre Johann visualisation du plasma, il est possible de construire des profils de paramètres du plasma, comme la densité, la température, la vitesse et avec une bonne résolution spatiale et temporelle. Cependant, l'analyse comparative de modélisation de code atomique de spectres de rayons X obtenu à partir de plasmas de laboratoire bien diagnostiqués est important pour justifier l'utilisation de ces spectres pour déterminer les paramètres du plasma lorsque les autres diagnostics indépendants ne sont pas disponibles. Ce manuscrit présente le fonctionnement du spectromètre imageur à haute résolution des rayons X en cristal avec résolution spatiale (HIREXSR), une résolution de longueur d'onde haute imagerie spatialement spectromètre à rayons X utilisé pour afficher des ions de l'hydrogène et l'hélium comme des éléments atomiques moyennes numériques dans un tokamak plasma. En outre, ce manuscrit couvre un système de soufflage laser qui peut introduire ces ionsau plasma avec un timing précis pour permettre des études perturbatifs de transport dans le plasma.
Introduction
spectres de rayons X fournissent une mine d'informations sur les plasmas à haute température; par exemple la température électronique et la densité peut être déduite à partir des rapports d'intensité de la ligne. À l'aide d' un spectromètre Johann visualisation du plasma hors de l' axe, il est possible de construire des profils de paramètres du plasma, comme la densité, la température et la vitesse à l' intérieur du plasma avec une bonne résolution spatiale et temporelle 1,2. Ce manuscrit présente le fonctionnement du spectromètre imageur à haute résolution des rayons X en cristal avec résolution spatiale (HIREXSR), une résolution de longueur d'onde haute imagerie spatialement spectromètre à rayons X utilisé pour afficher des ions de l'hydrogène et l'hélium comme des éléments atomiques moyennes numériques dans un tokamak plasma.
HIREXSR est déployé sur Alcator C-Mod, un dispositif de fusion tokamak avec un rayon majeur et mineur de 0,67 m et 0,22 m respectivement. Il fonctionne généralement avec des plasmas de deutérium durable ~ 2 sec avec des densités moyennes entre 0,2 à 8,0 x 10 20 m -3 </sup> et d' électrons central des températures comprises entre 09.01 3 keV. Dans ces conditions, le milieu à des éléments d'impureté élevée Z devenir hautement ionisé et rayonnent dans la gamme des rayons X, qui HIREXSR mesures. Analyse comparative de la modélisation de code atomique de spectres de rayons X obtenu à partir de plasmas de laboratoire bien diagnostiqués est important pour justifier l' utilisation de ces spectres pour déterminer les paramètres du plasma lorsque les autres diagnostics indépendants ne sont pas disponibles 4.
Chaque spectromètre est construit pour son utilisation souhaitée. En conséquence, une description générale de la machine et de ses concepts connexes est nécessaire pour comprendre pleinement ces puissants outils 5. La réflexion de Bragg se produit lorsqu'un photon est réfléchie par les couches adjacentes d'un cristal et se déplace sur une distance qui est un multiple de sa longueur d' onde. La figure 1 illustre ce phénomène. Cette condition est exprimée par l'équation nX = 2 d sin θ b, où n est l'ordre de reréflexion, λ est la longueur d' onde du photon, d est la séparation entre les couches adjacentes du cristal et θ b est l'angle de Bragg. Une correspondance biunivoque entre λ et θ b indique que tous les photons à un point du Voyage détecteur plan avec la même longueur d' onde spécifique. En pratique, toutefois, les limites d'absorption et de précision se manifestent comme un écart par rapport à l'angle de Bragg. Il en résulte que dans une petite plage d'angles qui produisent une interférence constructive importante, représentée par une courbe de basculement 6. La figure 2 est une courbe d'exemple , pour un cristal de calcite.
HIREXSR est un spectromètre Johann avec un cristal sphérique plié 7. Avant de décrire ce genre de dispositif, une discussion, un spectromètre circulaire simple est approprié. Cette mise en place se compose d'un cristal courbé qui reflète les photons entrants à leur Bragg respective anglesWards un réseau de rayons X détecteurs de comptage de photons à pixel unique. Le cristal et le détecteur pondent tangente au cercle de Rowland, comme indiqué sur la figure 3. Le diamètre du cercle de Rowland est égal au rayon de courbure du cristal. Tous les rayons à partir d'un point situé sur la circonférence à un point quelconque sur le cristal donné ont le même angle d'incidence par rapport à la glace elle-même.
. Dans le cas de HIREXSR, un permis de cristal de résolution spatiale sphérique courbée dans le plan méridien, illustré sur la figure 4 La méridienne foyer f m est défini comme suit: m f = R c sin θ b, où R c est le rayon de courbure le cristal. Le sagittal foyer f s est définie comme: s f = f – m / cos θ 2 b. La résolution spatiale du spectromètre Δ x est donnépar: 
Où L cp est la distance entre le cristal et le plasma, et d est la hauteur du cristal. Étant donné que l'espacement en 2 dimensions des couches cristallines est discrète, ceci doit être pris en considération lors du choix d'un matériau. Étant donné que les surfaces de détection sont planes, ils ne peuvent être tangente au cercle de Rowland à un moment donné, ce qui donne par conséquent lieu à une erreur puisque les rayons détectés ne sont pas atterrissaient précisément sur leurs points correspondants sur le cercle de Rowland. Physiquement, ce désalignement manifeste comme un «étalement» de photons d'énergie spécifique sur le détecteur. Cette erreur est définie comme Johann 
Où l est la largeur du cristal. Si le détecteur pixel ôx largeur p est beaucoup plus grande que l'erreur Johann, la résolution spectrale est indépendante de celui – ci. Si elles unere de taille comparable, l'erreur totale peut être approchée par 
. Le pouvoir de résolution du spectromètre à cristal est donnée par: 
, où 
. Au lieu de placer la tangente du détecteur à un point situé sur le cercle de Rowland cependant, dans HIREXSR le détecteur est légèrement incliné par rapport à sacrifier la précision pour la gamme spectrale, comme représenté sur la figure 5. L'analyse d'erreur a été vérifié expérimentalement et est conforme aux attentes 8.
Il y a deux paramètres cruciaux à considérer lors de la conception d'un spectromètre de Johann. Tout d'abord, la gamme d'imagerie détermine ce que le spectromètre observera. Pour l'étude des plasmas, il est hautement souhaitable de voir sa section entière afin de faire la distinction entre les changements de ligne causés par poloidal et toroirotation dal. HIREXSR est monté de manière à pouvoir visualiser l'ensemble du plasma, et est légèrement incliné vers désaxé par ~ 8 ° (illustré sur la figure 6) pour permettre des mesures précises toroïdaux. Deuxièmement, la résolution temporelle régule le temps minimum entre les événements que le spectromètre peut enregistrer. Pour Alcator C-Mod, les valeurs souhaitables sont inférieures à 20 msec, plus courtes que les temps de l'énergie et de confinement des particules. Les détecteurs de comptage pixels X-ray HIREXSR utilisations peuvent soutenir une résolution temporelle de 6 à 20 msec ou plus 9. Le tableau 1 résume toutes les spécifications du module.
Pour les études de plasma perturbatifs, le laser du système blow-off sur Alcator C-Mod est utilisé pour fournir de multiples ablations avec un timing précis 10. Le laser est un laser Nd: YAG (grenat d'yttrium aluminium dopé au néodyme) fonctionnant jusqu'à 10 Hz. Le laser est incident sur un train optique commandé à distance , comme illustré sur la figure 7 et qui porte bouvillonsle faisceau vers l'emplacement souhaité sur la diapositive. tailles de spot du laser doivent être contrôlés afin de l'injection ne perturbe pas le plasma. Une longue distance focale (1,146 mm) de la lentille convergente est translaté le long de l'axe optique par l'intermédiaire d'un étage linéaire commandé à distance pour permettre des tailles de tache ablatées pour faire varier de ~ 0,5 à 7 mm. Rapide orientation du faisceau est réalisée par l'intermédiaire d'un miroir piézoélectrique 2D. Ce système piézo-électrique est monté sur un miroir RS232 entraîné montage capable. En plus du laser Nd: YAG, une diode laser à 633 nm est utilisée pour indiquer l'emplacement du faisceau principal (infrarouge). Les poutres sont faites pour être colinéaire à travers le premier miroir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les données générées par cette technique peuvent être utilisés dans une grande variété d'études expérimentales. la température des ions et des profils de vitesse toroïdaux peuvent être utilisés dans un large éventail d'études de transport, y compris la rotation de plasma intrinsèque auto-généré et les effets perturbatifs non locaux. Mesure des spectres d'impuretés injectées par laser soufflage peut également fournir des informations importantes sur le transport des impuretés dans le p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Matt Reinke and the Alcator C-Mod team for designing, building, and testing HIREXSR. This work was supported by DOE Contract Nos. DE-FC02-99ER54512 and DE-AC02-76CH03073.
Materials
| PILATUS 100k Detector System | DECTRIS | 100k | Superseded by newer PILATUS3 detectors |
| Bragg Crystals | Kurchaov Institute | Custom Part | |
| CaF2 Slides | LeBow | Custom Part | |
| High Purity Argon | Airgas | AR HP300 | Any high purity argon should work |
| Be window | Brush Wellman Electrofusion Products / Motion Hightech | Custom part |
References
- Reinke, M. L., et al. X-ray imaging crystal spectroscopy for use in plasma transport research. Rev. Sci. Instrum. 83 (11), 113504 (2012).
- Hill, K. W., et al. Development of a High Resolution X-Ray Imaging Crystal Spectrometer for Measurement of Ion-Temperature and Rotation-Velocity Profiles in Fusion Energy Research Plasmas. Plasma Fusion Res. 2, 1067-1067 (2007).
- Greenwald, M., et al. 20 years of research on the Alcator C-Mod tokamak. Phys. Plasmas. 21 (11), 110501 (2014).
- Rice, J. E., et al. X-ray observations of medium Z H- and He-like ions with satellites from C-Mod tokamak plasmas. J. Phys. B. 48 (14), 144013 (2015).
- Ince-Cushman, A. Rotation studies in fusion plasmas via imaging X-ray crystal spectroscopy. Rev. Sci. Instrum. 79, (2008).
- Zachariasen, W. H. . Theory of X-Ray Diffraction in Crystals. , (2004).
- Johann, H. H. Die Erzeugung lichtstarker Röntgenspektren mit Hilfe von Konkavkristallen. Zeitschrift für Physik. 69 (3-4), 185-206 (1931).
- Wang, E., et al. Calculation of the Johann error for spherically bent x-ray imaging crystal spectrometers. Rev. Sci. Instrum. 81 (10), (2010).
- Eikenberry, E., et al. PILATUS: a two-dimensional X-ray detector for macromolecular crystallography. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 501 (1), 260-266 (2003).
- Howard, N. T., Greenwald, M., Rice, J. E. Characterization of impurity confinement on Alcator C-Mod using a multi-pulse laser blow-off system. Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 1-6 (2011).
- Rice, J. E., et al. Non-local heat transport, rotation reversals and up/down impurity density asymmetries in Alcator C-Mod ohmic L-mode plasmas. Nucl. Fusion. 53, 033004 (2013).
- Reinke, M. L., Podpaly, Y., Gao, C., Science, P. . Operation and Validation of The HIREXSR Analysis COde MIT-Plasma Science and Fusion Center Alcator C-Mod. , (2013).
- Rosen, A. S., Reinke, M. L., Rice, J. E., Hubbard, A. E., Hughes, J. W. Validation of x-ray line ratios for electron temperature determination in tokamak plasmas. J. Phys. B. 47 (10), 105701 (2014).
- Delgado-Aparicio, L. F., et al. In-situ wavelength calibration and temperature control for the C-Mod high-resolution X-ray crystal imaging spectrometer. Bull. Am. Phys. Soc. 55, (2010).
