Aplicando raios-X de imagem de cristal Spectroscopy para uso como uma alta temperatura do plasma de diagnóstico

Summary

espectros de raios-X fornecem uma riqueza de informações sobre plasmas de alta temperatura. Este manuscrito apresenta o funcionamento de uma alta resolução de comprimento de onda espacialmente Imaging Spectrometer de raios-X utilizado para visualizar os íons a hidrogénio e hélio-como de elementos de número atómico médio em um plasma de tokamak.

Abstract

espectros de raios-X fornecem uma riqueza de informações sobre plasmas de alta temperatura; por exemplo, temperatura eletrônica e densidade pode ser inferida a partir de relações de intensidade line. Ao utilizar um espectrómetro Johann visualização do plasma, é possível construir perfis de parâmetros do plasma, tais como a densidade, a temperatura e a velocidade com boa resolução espacial e temporal. No entanto, benchmarking modelagem código atômico de espectros de raios-X obtidos a partir de plasmas de laboratório bem-diagnosticados é importante para justificar a utilização desses espectros para determinar parâmetros de plasma quando outros diagnósticos independentes não estão disponíveis. Este manuscrito apresenta o funcionamento da alta resolução de raios-X de cristal Imaging Spectrometer com resolução espacial (HIREXSR), uma alta resolução de comprimento de onda espacialmente Imaging Spectrometer de raios-X utilizado para visualizar íons de hidrogênio e hélio-como de elementos de número atómico médio em um tokamak plasma. Além disso, este manuscrito abrange um sistema de purga de laser que pode introduzir tais iõesao plasma com timing preciso para permitir estudos perturbativas de transporte no plasma.

Introduction

espectros de raios-X fornecem uma riqueza de informações sobre plasmas de alta temperatura; por exemplo, temperatura eletrônica e densidade pode ser inferida a partir de relações de intensidade line. Ao utilizar um espectrómetro Johann visualização do plasma fora de eixo, é possível construir perfis de parâmetros do plasma, tais como a densidade, a temperatura e de velocidade no interior do plasma, com boa resolução espacial e ^1,2 hora. Este manuscrito apresenta o funcionamento da alta resolução de raios-X de cristal Imaging Spectrometer com resolução espacial (HIREXSR), uma alta resolução de comprimento de onda espacialmente Imaging Spectrometer de raios-X utilizado para visualizar íons de hidrogênio e hélio-como de elementos de número atómico médio em um tokamak plasma.

HIREXSR é implantado em Alcator C-Mod, um dispositivo de fusão Tokamak com um raio maior e menor de 0,67 m e 0,22 m, respectivamente. Ele normalmente opera com plasmas de deutério duradoura ~ 2 seg com densidades médias entre 0,2-8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 </sup> e eletrônica centro de temperaturas entre 1-9 keV ^3. Sob estas condições, o meio de elementos de impureza alta Z tornam-se altamente ionizado e irradiar na gama de raios-X, que HIREXSR medidas. Aferição modelagem código atómica de espectros de raios-X obtido a partir de plasmas de laboratório bem diagnosticados é importante para justificar o uso de tais espectros para determinar os parâmetros de plasma quando outros diagnósticos independentes não estão disponíveis ^quatro.

Cada espectrômetro é construído para seu uso pretendido. Assim, uma descrição geral sobre a máquina e seus conceitos relacionados é necessário para compreender plenamente essas ferramentas poderosas ^5. Reflexão de Bragg ocorre quando um fotão reflecte as camadas adjacentes de um cristal e percorre uma distância que é um múltiplo do seu comprimento de onda. A Figura 1 ilustra este fenómeno. Esta condição é expressa pela equação nλ = 2 d sin θ _b, em que n é a ordem de reflexão, λ é o comprimento de onda do fotão, d é a separação entre as camadas adjacentes do cristal e θ _b é o ângulo de Bragg. A correspondência um a um entre λ e θ _b indica que todos os fótons em um ponto específico da viagem de avião detector com o mesmo comprimento de onda. Na prática, no entanto, de absorção e de precisão limitações se manifestam como um desvio em relação ao ângulo de Bragg. Isto resulta em apenas um pequeno intervalo de ângulos que produzem uma interferência construtiva significativa, representada por uma curva de balanço ^6. A Figura 2 é uma curva de exemplo para um cristal de calcite.

HIREXSR é um espectrômetro de Johann com um cristal esfericamente dobrada ^7. Antes de descrever este tipo de dispositivo, uma discussão de um espectrómetro mais simples, circular é apropriado. Esta configuração consiste em um cristal curvado que reflete fótons pelo respectivo Bragg ângulos pararecção uma matriz de detectores de raios-X único fotão de pixels de contagem. O cristal e o detector de estabelecer tangente ao círculo Rowland, como exibido na Figura 3. O diâmetro do círculo Rowland é igual ao raio de curvatura do cristal. Todos os raios a partir de um determinado ponto na circunferência para qualquer ponto no cristal têm o mesmo ângulo de incidência em relação ao próprio cristal.

. No caso de HIREXSR, uma resolução espacial esfericamente dobrada autorizações de cristal no plano meridional, ilustrado na Figura 4 A meridional foco f _m é definido como: _M F = R _C sin θ _b, em que R _c representa o raio de curvatura o cristal. O sagital foco f _s é definido como: f _s = – f _m / cos 2 θ _b. A resolução espacial da espectrómetro Δ x é dadode: , Em que L _CP é a distância entre o cristal e o plasma, e d é a altura do cristal. Uma vez que o espaçamento de duas dimensões das camadas de cristal é discreto, isto deve ser levado em consideração na escolha de um material. Uma vez que as superfícies de detectores são planares, eles só podem ser tangente ao círculo Rowland em um ponto, o que dá, consequentemente, origem a erro, pois os raios detectados não são desembarque precisamente em seus pontos correspondentes no círculo Rowland. Fisicamente, este desalinhamento se manifesta como uma "mancha" de fótons de energia específica no detector. Este erro é definido como Johann , Onde L é a largura do cristal. Se o pixel do detector largura Ax _p é muito maior do que o erro Johann, em seguida, a resolução espectral é independente dele. Se umre de tamanho comparável, em seguida, o erro total pode ser aproximada pela . O poder de resolução do espectrómetro de cristal é dada por: , Onde . Em vez de colocar a tangente a um detector de ponto no círculo Rowland No entanto, em HIREXSR o detector está inclinado ligeiramente para sacrificar a precisão para a gama espectral, como mostrado na Figura 5. Esta análise de erro foi experimentalmente verificado e está de acordo com expectativa ^8.

Existem dois parâmetros cruciais a considerar ao projetar um espectrômetro de Johann. Em primeiro lugar, a gama de imagem determina o que o espectrômetro estará observando. Para estudar plasmas, é altamente desejável para ver sua seção transversal inteira, a fim de distinguir entre os turnos da linha causadas por poloidais e toroirotação dal. HIREXSR é montado de tal modo que ele possa ver todo o plasma, e é inclinada ligeiramente fora do eixo de -8 ° (ilustrada na Figura 6) para permitir medições precisas toroidais. Em segundo lugar, resolução de tempo regula o tempo mínimo entre eventos que o espectrômetro pode gravar. Para Alcator C-Mod, valores desejáveis ​​são inferiores a 20 ms, mais curtos do que os tempos de energia e de confinamento de partículas. Os raios-X detectores de pixel de contagem que HIREXSR usos podem apoiar uma resolução de tempo de 6 a 20 ms ou maior ^9. A tabela 1 resume todas as especificações do módulo.

Para os estudos de plasma perturbativas, o sistema blow-off laser sobre Alcator C-Mod é usado para entregar várias ablações com sincronismo preciso ^10. O laser é um laser de Nd: YAG (granada de ítrio-alumínio dopado com neodímio), operando a até 10 Hz. O laser é incidente sobre um trem óptico com controlo remoto, como mostrado na Figura 7 que se concentra e novilhoso feixe para o local desejado no slide. tamanhos de ponto de laser têm de ser controladas de modo que a injecção não perturbar o plasma. Uma lente convergente longa distância focal (1,146 milímetros) é traduzido ao longo do eixo óptico através de uma fase linear com controlo remoto para permitir tamanhos de ponto para ablacionadas variar de ~ 0,5 a 7 mm. steering feixe rápido é conseguido através de um espelho piezoelétrico 2D. Este sistema piezoeléctrico é montado um espelho accionado RS232 montagem capaz. Além do laser Nd: YAG, um laser de diodo 633 nm é utilizado para indicar o local do feixe principal (infravermelho). As vigas são feitas para serem colineares através do primeiro espelho.

Protocol

1. Escolher linhas espectrais apropriadas Escolha linhas de emissão apropriados que irão determinar a qualidade dos dados obtidos. A figura 8 mostra que as linhas de emissão de gases nobres serão relevantes em diferentes valores para a temperatura de elétrons. Note-se que as razões de estado de ionização e linha são determinadas pela competição de ionização, excitação colisional, recombinação radiativa e recombinação dieléctrico. Estes processos podem variar com a…

Representative Results

Uma amostra de dados representativo do detector de pixels para uma bandeja de tempo para o espectro de árgon Ele-como é mostrado na Figura 17. As linhas espectrais, dobrados em uma forma elíptica pelo cristal esférica, são claramente visíveis. O detector de topo tem um painel detector de quebrado, e há alguns pixels mortos espalhados por todos os detectores. Os dados do painel detector quebrado deve ser ignorado. Fatias de o detector que mostra o espectro medido e…

Discussion

Os dados gerados por esta técnica pode ser utilizada numa ampla variedade de estudos experimentais. Ion temperatura e perfis de velocidade toroidais podem ser utilizados numa ampla gama de estudos de transporte, incluindo rotação plasma auto-gerado intrínseca e efeitos perturbativas não locais. Medição espectros de impurezas injetados por meio de laser de sopro também pode fornecer informações importantes sobre o transporte de impurezas no plasma, como foi feito no Howard et al. ^10, 2011. N…

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