Bruk av X-ray Imaging Crystal spektroskopi for bruk som en High Temperature Plasma Diagnostic

Summary

X-ray spektra gir et vell av informasjon om høy temperatur plasmaer. Dette manuskriptet viser driften av en høy bølgelengde oppløsning romlig avbildning av røntgen spektrometer brukes til å vise hydrogen og helium-lignende ioner av mellomatomnummer elementer i en tokamak plasma.

Abstract

X-ray spektra gir et vell av informasjon om høy temperatur plasmaer; for eksempel elektron temperatur og tetthet kan utledes fra linje intensitetsforhold. Ved å bruke et spektrometer Johann viser plasma, er det mulig å konstruere profilene til plasma parametre som tetthet, temperatur, hastighet og med god romlig og tidsoppløsning. Imidlertid, fastslå atomære Kode modellering av røntgen-spektra erholdt fra brønn-diagnostiserte laboratorie plasmaer er viktig for å rettferdiggjøre bruken av slike spektra for å bestemme plasmaparametere når andre uavhengige diagnostikk er ikke tilgjengelige. Dette manuskriptet presenterer driften av High Resolution X-ray Crystal Imaging Spectrometer med romlig oppløsning (HIREXSR), en høy bølgelengde oppløsning romlig bildebehandling røntgenspektrometeret brukes til å vise hydrogen- og helium som ioner av mellomatomnummer elementer i en tokamak plasma. I tillegg dekker dette manuskriptet en laser blow-off system som kan innføre slike ionertil plasmaet med presis timing for å tillate perturbative studier av transport i plasma.

Introduction

X-ray spektra gir et vell av informasjon om høy temperatur plasmaer; for eksempel elektron temperatur og tetthet kan utledes fra linje intensitetsforhold. Ved å bruke et spektrometer Johann viser plasma utenfor aksen, er det mulig å konstruere profilene til plasma parametre som tetthet, temperatur og hastighet på innsiden av plasma med god romlig og tidsoppløsning ^1,2. Dette manuskriptet presenterer driften av High Resolution X-ray Crystal Imaging Spectrometer med romlig oppløsning (HIREXSR), en høy bølgelengde oppløsning romlig bildebehandling røntgenspektrometeret brukes til å vise hydrogen- og helium som ioner av mellomatomnummer elementer i en tokamak plasma.

HIREXSR er utplassert på Alcator C-Mod, en tokamak fusjon enhet med større og mindre radius på 0,67 m og 0,22 m henholdsvis. Den opererer typisk med deuterium plasmaer varig ~ 2 sek med gjennomsnittlig tetthet mellom 0,2 til 8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 </sup> og sentral elektron temperaturer mellom 1-9 keV ^tre. Under disse betingelser blir middels til høy Z forurensningselementer sterkt ionisert og stråler i røntgenspekter som HIREXSR tiltak. Referansemåling atom kode modellering av røntgen-spektra erholdt fra brønn-diagnostiserte laboratorie plasmaer er viktig for å rettferdiggjøre bruken av slike spektra for å bestemme plasmaparametere når andre uavhengige diagnostikk er ikke tilgjengelig ^4.

Hver spektrometer er bygget for dens ønskede bruk. Følgelig er en generell beskrivelse om maskinen og dens beslektede begreper er nødvendig for å fullt ut forstå disse kraftige verktøyene ^5. Bragg-refleksjon inntreffer når et foton reflekteres fra tilstøtende lag av en krystall og reiser en avstand som er et multiplum av dens bølgelengde. Figur 1 viser dette fenomen. Denne tilstanden er uttrykt ved ligningen nλ = 2 d sin θ _b, der n er rekkefølgen av gjenlysreflekterende, er λ bølgelengden til fotonet, d er avstanden mellom tilstøtende lag av krystallen og θ _b er Bragg-vinkelen. En til en overensstemmelse mellom λ og θ _b angir at alle fotoner ved et bestemt punkt av detektorplanet for med den samme bølgelengde. I praksis er imidlertid absorpsjons- og presisjon begrensninger manifest som et avvik fra Bragg-vinkelen. Dette resulterer i bare et lite område av vinkler som produserer betydelig konstruktiv interferens, representert ved en gynge kurve ^6. Figur 2 er et eksempel på en kurve for kalsitt krystall.

HIREXSR er et Johann spektrometer med en sfærisk bøyd krystall ^7. Før beskrivelse av denne type enhet, en diskusjon av en enklere, sirkulær spektrometer er hensiktsmessig. Dette settet opp består av en bøyd krystall som reflekterer innkommende fotoner ved deres respektive Bragg-vinkler for åavdelinger en rekke enkle røntgen foton telling piksel detektorer. Krystallen og detektoren lå tangenten til sirkelen Rowland, som vist i figur 3. Diameteren på Rowland sirkelen er lik krumningsradien av krystallen. Alle stråler fra et gitt punkt på omkretsen til hvilket som helst punkt på krystallen har samme innfallende vinkel i forhold til krystall selv.

. I tilfelle av HIREXSR, en sfærisk bøyd krystall tillater romlig oppløsning i den meridionale flyet, vist i figur 4 er definert Den meridionale fokus f _m som: f _m = _Rc sin θ _b, hvor R _c er radien for krumningen av krystallen. Sagittal fokus f _s er definert som: _fs = – f _m / cos 2 θ _b. Den romlige oppløsning av spektrometeret Δ x er gittav: , Hvor L _cp er avstanden mellom krystallen og plasma, og d er høyden av krystallen. Fordi den 2-dimensjonale avstanden mellom de krystall lagene er atskilt, må dette tas i betraktning ved valg av materiale. Siden detektor overflater er plane, kan de bare være tangent til Rowland sirkel på ett punkt, som dermed gir opphav til feil siden de detekterte strålene ikke er landing nettopp på de tilsvarende punkter på Rowland sirkel. Fysisk, manifesterer denne forskyvning som en "smearing" av fotoner av spesifikk energi på detektoren. Dette Johann feilen er definert som , Hvor l er bredden av krystallen. Hvis detektoren piksel bredde AX _p er mye større enn den Johann feil, da den spektrale oppløsningen er uavhengig av den. Hvis de enre av sammenlignbar størrelse, så den totale feilen kan tilnærmes ved . Oppløsningsevne av krystallen spektrometeret er gitt ved: , hvor . I stedet for å plassere detektoren tangent til et punkt på sirkelen Rowland imidlertid i HIREXSR detektoren er vinklet for å ofre nøyaktigheten for spektralområde, som vist i figur 5. Har denne feilanalyse blitt eksperimentelt verifisert og er i overensstemmelse med forventningene ^8.

Det er to viktige parametere for å vurdere når du utformer et Johann spektrometer. Først bestemmer bildeområdet hva spektrometeret skal observere. For å studere plasma, er det meget ønskelig for å vise dens hele tverrsnittet for å skille mellom linjeskift som forårsakes av poloidal og toroidal rotasjon. HIREXSR er montert slik at det kan vise hele plasma, og vippes litt utenfor aksen av ~8 ° (illustrert i figur 6) for å muliggjøre nøyaktige målinger toroidal. For det andre regulerer tidsoppløsning på minimum tid mellom hendelser som spektrometeret kan ta opp. For Alcator C-Mod, ønskelige verdier er under 20 ms, kortere enn energi- og partikkelbegrensnings ganger. Røntgentellebildeelementdetektorer som HIREXSR anvendelser kan støtte en tidsoppløsning på 6 til 20 msek eller større ^ni. Tabell 1 oppsummerer alle de modul spesifikasjonene.

For perturbative plasma studier, laser blow-off system på Alcator C-Mod som brukes til å levere flere ablations med presis timing ^10. Laseren er en Nd: YAG (neodymium-dopet yttrium aluminium granat) opererer med opp til 10 Hz. Laseren er innfallende på en fjernstyrt optisk tog som vist i figur 7 som fokuserer og styrerstrålen til ønsket sted på lysbildet. Spot størrelser av laseren trenger å bli styrt slik at injeksjonen ikke forstyrrer plasmaet. En lang brennvidde (1146 mm) samlelinse er oversatt langs den optiske aksen via en fjernstyrt lineær scenen for å tillate tyreoideaektomi spot størrelser varierer fra ~0.5 til 7 mm. Fast strålestyring oppnås via en 2D piezoelektrisk speil. Dette piezoelektrisk system er montert på en RS232 drevet speil montere stand. I tillegg til Nd: YAG laser, er en 633 nm laser diode brukes til å indikere plasseringen av hoved (infrarød) stråle. Bjelkene er gjort til å være kollineære gjennom det første speilet.

Protocol

1. Velge Passende spektrallinjer Velg riktige emisjonslinjer som vil avgjøre kvaliteten på innhentet data. Figur 8 viser hvilke edle gass emisjonslinjer vil være relevante ved forskjellige verdier for elektronet temperatur. Merk at ionisering statlige og linjeforhold er bestemt av konkurransen av ionisering, collisional eksitasjon, strålings rekombinasjon og dielektrisk rekombinasjon. Disse prosessene kan variere med plasma temperatur og tetthet. Se figur 9 for e…

Representative Results

En representativ prøve av data fra bildeelementdetektor for en tid bin for den He-lignende argon spektrum er vist på figur 17. Spektrallinjene, bøyde inn i en elliptisk form med den sfæriske krystall, er klart synlig. Den øverste Detektoren har brutt detektor panel, og det er noen døde piksler spredt over alle detektorene. Data fra den ødelagte detektoren panel bør ignoreres. Skiver fra detektoren som viser den målte spektra og resultatene av den spektrale passe…

Discussion

De data som genereres av denne teknikken kan brukes i et bredt spekter av eksperimentelle studier. Ion temperatur og toroidale hastighetsprofiler kan benyttes i et bredt spekter av transport studier, inkludert iboende selvgenerert plasma rotasjon og ikke-lokale perturbative effekter. Måling av spektra av injiserte urenheter gjennom laserutblåsnings kan også gi viktig informasjon om transport av forurensninger i plasmaet, slik det ble gjort i Howard et al., 2011 ^10. På denne tiden, ingen andre pla…

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