Anwenden von Röntgen Imaging Kristall Spektroskopie für den Einsatz als Hochtemperatur-Plasmadiagnose
Summary
Röntgenspektren bieten eine Fülle von Informationen über Hochtemperaturplasmen. Diese Handschrift stellt den Betrieb einer hohen Wellenlängenauflösung räumlich Röntgenspektrometer Bildgebung verwendet wasserstoff- und Helium artigen Ionen mittlerer Ordnungszahl Elemente in einem Tokamak Plasma anzuzeigen.
Abstract
Röntgenspektren eine Fülle von Informationen über Hochtemperaturplasmen bereitzustellen; zum Beispiel Elektronentemperatur und Dichte kann aus der Leitung Intensitätsverhältnisse abgeleitet werden. Durch die Verwendung des Plasma eines Spektrometers Johann Betrachtung ist es möglich, Profile der Plasmaparameter zu konstruieren, wie Dichte, der Temperatur und der Geschwindigkeit, mit guten räumlichen und zeitlichen Auflösung. Allerdings ist das Benchmarking Atom Code Modellierung von Röntgenspektren von gut diagnostiziert Laborplasmen erhalten wichtige Verwendung solcher Spektren zu rechtfertigen Plasmaparameter zu bestimmen, wann eine andere unabhängige Diagnose nicht verfügbar sind. Dieses Manuskript stellt den Betrieb des hochauflösenden Röntgenkristall Imaging Spectrometer mit Räumliche Auflösung (HIREXSR), eine hohe Wellenlängenauflösung räumlich Röntgenspektrometer Bildgebung verwendet Wasserstoff- und Helium-ähnliche Ionen mittlerer Ordnungszahl Elemente in einem Tokamak zu sehen Plasma. Darüber hinaus umfasst das Manuskript einen Laser Abblassystem, die solche Ionen einführenan das Plasma mit präzisem Timing für störungstheoretische Studien von Transport im Plasma zu ermöglichen.
Introduction
Röntgenspektren eine Fülle von Informationen über Hochtemperaturplasmen bereitzustellen; zum Beispiel Elektronentemperatur und Dichte kann aus der Leitung Intensitätsverhältnisse abgeleitet werden. Durch die Verwendung eines Spektrometers Johann Betrachtung des Plasmas außeraxialen ist es möglich , Profile der Plasmaparameter zu konstruieren , wie Dichte, Temperatur und Geschwindigkeit innerhalb des Plasmas mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung 1,2. Dieses Manuskript stellt den Betrieb des hochauflösenden Röntgenkristall Imaging Spectrometer mit Räumliche Auflösung (HIREXSR), eine hohe Wellenlängenauflösung räumlich Röntgenspektrometer Bildgebung verwendet Wasserstoff- und Helium-ähnliche Ionen mittlerer Ordnungszahl Elemente in einem Tokamak zu sehen Plasma.
HIREXSR auf Alcator C-Mod im Einsatz, ein Tokamak-Fusionsgerät mit einem größeren und kleineren Radius von 0,67 m und 0,22 m jeweils. Es arbeitet typischerweise mit Deuterium Plasmen ~ 2 sec mit durchschnittlichen Dichten zwischen 0,2 bis 8,0 x 10 20 m dauerhafte -3 </sup> und zentrale Elektronentemperaturen zwischen 1-9 keV 3. Unter diesen Bedingungen werden mit mittlerer bis hoher Z Störelemente hoch ionisiert und im Röntgenbereich strahlen, die Maßnahmen HIREXSR. Benchmarking Atom Code Modellierung von Röntgenspektren von gut diagnostiziert Laborplasmen erhalten ist wichtig , den Einsatz solcher Spektren zu rechtfertigen Plasmaparameter zu bestimmen , wann eine andere unabhängige Diagnose 4 nicht verfügbar sind.
Jedes Spektrometer ist für seine gewünschte Verwendung gebaut. Dementsprechend ist eine allgemeine Beschreibung über die Maschine und die damit verbundenen Konzepte notwendig , um voll und ganz diese leistungsstarken Tools 5 verstehen. Bragg – Reflexion tritt auf, wenn ein Photon benachbarten Schichten eines Kristalls reflektiert wird und eine Strecke , die ein Vielfaches der Wellenlänge ist. Figur 1 veranschaulicht dieses Phänomen. Dieser Zustand wird durch die Gleichung n & lgr; = 2 d sin θ b ausgedrückt, wobei n die Reihenfolge der Wieder istflection, λ die Wellenlänge des Photons ist, d der Abstand zwischen benachbarten Schichten des Kristalls und θ b der Braggsche Winkel ist . Eins – zu – Eins – Entsprechung zwischen λ und θ b zeigt an, dass alle Photonen an einem bestimmten Punkt der Detektorebene Reise mit der gleichen Wellenlänge. jedoch Absorptions- und Präzision Einschränkungen manifest als Abweichung vom Bragg-Winkel in der Praxis. Dadurch ergibt sich nur ein kleiner Bereich von Winkeln , die erhebliche konstruktive Interferenz erzeugen, durch eine Rocking – Kurve 6 dargestellt. Figur 2 ist ein Beispiel für eine Kurve Calcit – Kristall.
HIREXSR ist ein Johann – Spektrometer mit einer sphärisch gebogenen Kristall 7. Vor der Beschreibung dieser Art von Gerät, eine Diskussion über eine einfachere, Kreis Spektrometer geeignet ist. Diese Einrichtung besteht aus einem gebogenen Kristall, der einfallenden Photonen reflektiert an ihren jeweiligen Bragg-Winkeln zuwehrt eine Reihe von einzelnen Röntgenphotonenzählung Pixeldetektoren. Der Kristall und dem Detektor liegen tangential zu dem Rowland – Kreis, wie in Figur 3 dargestellt. Der Durchmesser des Rowland – Kreises zu dem Krümmungsradius des Kristalls entspricht. Alle Strahlen, die von einem gegebenen Punkt auf dem Umfang auf einen beliebigen Punkt auf dem Kristall haben denselben Einfallswinkel in bezug auf den Kristall selbst.
. Im Falle von HIREXSR eine sphärisch gebogene Kristall ermöglicht räumliche Auflösung in der meridionalen Ebene, dargestellt in Abbildung 4 der meridionalen Fokus f m definiert ist als: f m = R c sin θ b, wobei R c ist der Krümmungsradius Kristall. Die sagittale Brennpunkt f s ist definiert als: f s = – f m / cos 2 θ b. Die räumliche Auflösung des Spektrometers Δ x gegeben istdurch: 
, Wobei L cp ist der Abstand zwischen dem Kristall und dem Plasma, und d ist die Höhe des Kristalls. Weil die 2-dimensionalen Abstand der Kristallschichten diskret ist, muss dies berücksichtigt werden, wenn ein Material der Wahl. Da die Detektorflächen planar sind, können sie nur an einem Punkt tangential zu dem Rowland-Kreis sein, was folglich Anlass zu Fehler gibt, da die erfassten Strahlen nicht genau auf die entsprechenden Punkte auf dem Rowland-Kreis landen. Physikalisch manifestiert diese Fehlausrichtung als "Verschmieren" von Photonen spezifischer Energie auf den Detektor. Dieser Johann Fehler ist definiert als 
, Wobei L die Breite des Kristalls. Wenn der Detektor Pixelbreite & Delta; x p viel größer als der Johann Fehler, so wird die spektrale Auflösung ist unabhängig davon. Wenn sie einere vergleichbarer Größe, so kann der Gesamtfehler durch angenähert werden 
. Das Auflösungsvermögen des Kristallspektrometers ist gegeben durch: 
, woher 
. Anstelle des Detektors Tangente an einem Punkt auf dem Rowland – Kreis jedoch Platzierung in HIREXSR der Detektor abgewinkelt ist leicht für die spektrale Entfernungsgenauigkeit zu opfern, wie es in 5 gezeigt ist . Diese Fehleranalyse experimentell verifiziert wurde und entspricht der Erwartung 8.
Es gibt zwei entscheidende Parameter zu berücksichtigen, wenn eine Johann-Spektrometer zu entwerfen. Zuerst bestimmt der Abbildungsbereich, was das Spektrometer beobachtet wird. Zur Untersuchung Plasmen, ist es sehr wünschenswert, den gesamten Querschnitt, um zwischen Linienverschiebungen verursacht durch poloidale und Toroi zu unterscheiden anzuzeigendal Rotation. HIREXSR so angebracht ist, dass es das gesamte Plasma anzeigen kann, und geneigt ist leicht außeraxialen von ~ 8 ° (dargestellt in 6) für genaue Messungen Toroid zu ermöglichen. Zweitens regelt Zeitauflösung die minimale Zeit zwischen den Ereignissen, die das Spektrometer aufzeichnen kann. Für Alcator C-Mod, wünschenswerte Werte unterhalb von 20 msec, kürzer ist als die Energie und die Partikeleinschlusszeiten. Die Röntgen Zählpixel Detektoren , die HIREXSR verwendet eine Zeitauflösung von 6 bis 20 ms oder größer 9 unterstützen können. In Tabelle 1 sind alle Modulspezifikationen.
Für perturbative Plasma – Studien wird der Laser blow-off – System auf Alcator C-Mod verwendet , um mehrere Ablationen mit präzisem Timing 10 liefern. Der Laser ist ein Nd: YAG (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat), der bei bis zu 10 Hz. Der Laser trifft auf einem ferngesteuerten optischen Zug , wie in 7 gezeigt , die konzentriert und Stierender Strahl an die gewünschte Stelle auf der Folie. Spotgrößen des Lasers müssen gesteuert werden, damit die Injektion nicht das Plasma zu stören. Eine lange Brennweite (1.146 mm) Sammellinse entlang der optischen Achse über einen ferngesteuerten Lineartisch übersetzt abgetragenen Punktgrößen zu ermöglichen, von ~ 0,5 bis 7 mm variieren. Schnelle Strahllenkung wird über einen 2D-piezoelektrischen Spiegel erreicht. Dieses piezoelektrische System ist mit einem RS232 angetriebenen Spiegel montiert-Befestigung. Neben dem Nd: YAG-Laser, ein 633 nm-Diodenlaser verwendet, um den Standort der Haupt (Infrarot) Strahl anzuzeigen. Die Strahlen werden gebildet durch den ersten Spiegel zu kollinear.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Daten, die durch diese Technik erzeugt wird, kann in einer breiten Vielzahl von experimentellen Untersuchungen verwendet werden. Ion Temperatur und toroidale Geschwindigkeitsprofile können in einer breiten Palette von Transportstudien verwendet werden, einschließlich Eigenselbsterzeugten Plasmarotation und nicht-lokale perturbative Effekte. Messspektren von injizierten Verunreinigungen durch Laser Abblasen kann auch wichtige Informationen über den Transport von Verunreinigungen im Plasma zur Verfügung stellen, w…
Divulgations
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
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