Anvendelse X-ray Imaging Crystal spektroskopi til brug som en høj temperatur Plasma Diagnostic

Summary

X-ray spektre giver et væld af oplysninger om høje temperaturer plasma. Dette håndskrift viser driften af ​​en høj spektral opløsning, rumligt imaging X-ray Spectrometer anvendes til at se brint- og helium-lignende ioner af mellemstore atomnummer elementer i en tokamak plasma.

Abstract

X-ray spektre giver et væld af oplysninger om høj temperatur plasma; for eksempel elektron temperatur og tæthed kan udledes nøgletal linje intensitet. Ved at anvende en Johann spektrometer visning plasmaet, er det muligt at konstruere profiler af plasmaparametre såsom massefylde, temperatur og hastighed med god rumlig og tidsmæssig opløsning. Men benchmarking atomare kode modellering af X-ray spektre opnået fra godt diagnosticerede laboratorie plasmaer er vigtigt at retfærdiggøre brugen af ​​sådanne spektre til at bestemme plasma parametre, når andre uafhængige diagnose er ikke tilgængelige. Dette håndskrift præsenterer driften af ​​High Resolution røntgen Crystal Imaging Spectrometer med Spatial Opløsning (HIREXSR), en høj bølgelængde opløsning rumligt imaging X-ray Spectrometer anvendes til at se hydrogen- og helium-lignende ioner af mellemstore atomnummer elementer i en tokamak plasma. Derudover dette håndskrift dækker en laser blow-off system, der kan indføre sådanne ionertil plasmaet med præcis timing at muliggøre perturbative studier af transport i plasmaet.

Introduction

X-ray spektre giver et væld af oplysninger om høj temperatur plasma; for eksempel elektron temperatur og tæthed kan udledes nøgletal linje intensitet. Ved at anvende en Johann spektrometer visning plasmaet off-akse, er det muligt at konstruere profiler af plasmaparametre såsom massefylde, temperatur og hastighed i plasmaet med god rumlig og tidsmæssig opløsning ^1,2. Dette håndskrift præsenterer driften af ​​High Resolution røntgen Crystal Imaging Spectrometer med Spatial Opløsning (HIREXSR), en høj bølgelængde opløsning rumligt imaging X-ray Spectrometer anvendes til at se hydrogen- og helium-lignende ioner af mellemstore atomnummer elementer i en tokamak plasma.

HIREXSR er indsat på Alcator C-Mod, en tokamak fusion enhed med en større og mindre radius på 0,67 m og 0,22 m hhv. Det fungerer typisk med deuterium plasmaer varig ~ 2 sek med gennemsnitlige tætheder mellem 0,2-8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 3. Under disse betingelser bliver medium til høj Z urenhedselementer stærkt ioniseret og udstråler i X-ray interval, som HIREXSR foranstaltninger. Benchmarking atomare kode modellering af X-ray spektre opnået fra godt diagnosticerede laboratorie plasmaer er vigtigt at retfærdiggøre brugen af sådanne spektre til at bestemme plasma parametre, når andre uafhængige diagnose er ikke tilgængelige ^4.

Hvert spektrometer er bygget til dets ønskede anvendelse. Derfor en generel beskrivelse om maskinen og dens relaterede begreber er nødvendigt fuldt ud at forstå disse kraftfulde værktøjer ^5. Bragg refleksion opstår, når en foton reflekteres fra tilstødende lag af en krystal og tilbagelægger en afstand, der er et multiplum af dens bølgelængde. Figur 1 viser dette fænomen. Denne betingelse udtrykkes ved ligningen nλ = 2 d sin θ _b, hvor n er rækkefølgen af rereflektionsegenskaber, λ er bølgelængden af foton, d er adskillelsen mellem tilgrænsende lag af krystal og θ _b er Bragg-vinklen. En 12:59 korrespondance mellem λ og θ _b angiver, at alle fotoner på et bestemt punkt af detektoren flyet rejse med samme bølgelængde. Men i praksis, absorptions- og præcision begrænsninger åbenbart som en afvigelse fra Bragg vinkel. Dette resulterer i kun en lille område af vinkler, der producerer signifikant konstruktiv interferens, repræsenteret ved en vippende kurve ^6. Figur 2 er et eksempel kurve for en calcit krystal.

HIREXSR er en Johann spektrometer med en sfærisk bøjet krystal ^7. Før beskrivelse denne type enhed, en diskussion af en enklere, cirkulær spektrometer er passende. Dette sæt up består af en bøjet krystal, der afspejler indgående fotoner på deres respektive Bragg vinklerafværger en vifte af enkelt X-ray foton optælling pixel detektorer. Krystallen og detektoren lå tangent til Rowland cirklen, som vist i figur 3. Diameteren af Rowland cirklen er lig med krumningsradius af krystallen. Alle stråler fra et givet punkt på periferien til ethvert punkt på krystallen har samme indfaldsvinkel i forhold til selve krystal.

. I tilfælde af HIREXSR, en sfærisk bøjet krystal tillader rumlig opløsning i meridionale plan, illustreret i figur 4 er defineret Den meridionale fokus f _m som: f _m = _Rc sin θ _b, hvor _Rc er krumningsradius af krystal. Den sagittale fokus f _s er defineret som: _F = - f _m / cos 2 θ _b. Den rumlige opløsning af spektrometer Δ x er givetved: , Hvor L _cp er afstanden mellem krystallet og plasmaet, og d er højden af krystallen. Fordi 2-dimensional afstand mellem krystal lag er diskret, skal dette tages i betragtning, når de vælger et materiale. Da detektoren overflader er plane, kan de kun være tangent til Rowland cirkel på et tidspunkt, som derfor giver anledning til fejl, siden de opdagede stråler ikke lander præcist på deres tilsvarende punkter på Rowland cirkel. Fysisk, denne forskydning manifesterer som en "udtværing" af fotoner af specifik energi på detektoren. Dette Johann fejl er defineret som , Hvor L er bredden af krystallen. Hvis detektoren pixelbredde Ax _p er meget større end Johann fejl, så den spektrale opløsning er uafhængig af den. Hvis de enre af sammenlignelig størrelse, så den totale fejl kan tilnærmes ved . Opløsningsevne af krystal spektrometer er givet ved: , hvor . Stedet for at placere detektoren tangent til et punkt på Rowland cirklen imidlertid i HIREXSR detektoren er vinklet lidt at ofre nøjagtighed for spektrale område, som vist i figur 5. Har Denne fejlanalyse blevet eksperimentelt verificeret og opfylder forventningen ^8.

Der er to afgørende parametre at overveje, når designe en Johann spektrometer. Først den billeddannende område bestemmer, hvad den spektrometer vil observere. For at studere plasmaer, er det meget ønskeligt at se hele sin tværsnittet for at skelne mellem linje skift forårsaget af poloidale og toroidal rotation. HIREXSR er monteret således, at det kan se hele plasmaet, og hælder lidt off-akse ved ~8 ° (illustreret i figur 6) for at muliggøre nøjagtige toroidale målinger. For det andet, tidsopløsning regulerer minimum tid mellem hændelser, at spektrometer kan optage. For Alcator C-Mod, ønskelige værdier er under 20 msek, kortere end energi- og partikel indeslutning gange. X-ray optælling pixel detektorer, HIREXSR anvendelser kan understøtte en tidsopløsning på 6 til 20 ms eller større ^9. Tabel 1 opsummerer alle de modul specifikationer.

For perturbative plasma studier, er laseren blow-off system på Alcator C-Mod bruges til at levere flere ablationer med præcis timing ^10. Laseren er et Nd: YAG (neodym-dopede yttrium aluminium granat) arbejder ved op til 10 Hz. Laseren er indfaldende på et fjernstyret optiske kæde som vist i figur 7, som fokuserer og studebjælken til den ønskede placering på diaset. Spot størrelser af laseren skal styres, så injektionen ikke forstyrrer plasmaet. En lang brændvidde (1.146 mm) konvergerende linse translateres langs den optiske akse via en fjernbetjent lineær fase for at tillade ablaterede pletstørrelser at variere fra -0,5 til 7 mm. Hurtig stråle styring opnås via en 2D piezoelektriske spejl. Denne piezoelektriske systemet er monteret på en RS232 drevet spejl mount stand. Ud over den Nd: YAG-laser, er en 633 nm diodelaser anvendes til at angive placeringen af ​​main (infrarød) stråle. Bjælkerne er lavet til at blive på linie gennem det første spejl.

Protocol

1. Valg af passende spektrallinjer

1. Vælg passende emission linjer, der vil bestemme kvaliteten af opnåede data. Figur 8 viser, hvilke ædle gas emission linjer vil være relevante ved forskellige værdier for elektron temperatur.
   1. Bemærk, at ionisering statslige og line nøgletal bestemmes af konkurrencen fra ionisering, kollisionsdæmper excitation, radiative rekombination og dielektriske rekombination. Disse processer kan variere med plasma temperatur og tæthed. Se figur 9 for et eksempel på denne variation.
2. Se andre offentliggjorte værker til bølgelængder og relative styrker af emission linjer af interesse. I denne protokol, bruge medium Z Han-lignende ioner som kendetegnet ved Rice, JE et al. (2015) ^4. Se figur 10 for et eksempel spektrum.
3. Bemærk at det er vigtigt at studere satellitter fra linjer uden for de store serier, som de coULD være uløst med de linjer, der er ved at blive målt. Nogle iboende urenheder (Fe, Mo, ​​Ti, etc.) vil altid være til stede fra plasma-vender struktur og komponenter i tokamak. For eksempel Figur 11 antyder argon Ly _α1 er et bedre valg end Ly _α2 linje eftersom sidstnævnte overlapper med en molybdæn linje.
4. For plasmaer i temperaturområder omkring 0,5-3 keV, omfatte følgende Han-lignende linjer for argon (alle fra n = 2 overgange): resonans (w, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ¹ P _1), forbudt (z, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ S _1), og intercombination (x, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P ₂ og y, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P _1). For argon n = 2 overgange, H-lignende spektret ligger mellem 3,72 Å <λ <3,80 Å og He-lignende spectrum ligger mellem 3,94 Å <λ <4,00 Å. Se figur 11 og figur 12 for plots af disse spektre.

2. Montering af HIREXSR Hardware

1. Der henvises til de relevante offentliggjorte værker for detaljerne og detaljerne om montering og opbygning HIREXSR ^1,2,5. Dette afsnit vil fokusere på de vigtigste og mest kritiske trin i denne procedure.
2. Mount HIREXSR på en af ​​racerbanen-formede havne Alcator C-Mod, vinklet for at give mulighed for en 8 ° off-diagonal visning.
3. Opnå en cirkulær (102) kvarts krystal med en 4,56215 Å 2d afstand, en 50 mm diameter og en 1.385 mm krumningsradius for at se H-lignende spektrum.
4. Opnå en rektangulær (102) kvarts med en 4,56215 Å 2D afstand, til en bredde på 64 mm og en højde på 27 mm se He-lignende spektrum.
5. Indsæt og montere begge krystaller i hus HIREXSR ved at åbne spektrometer kabinet gennemlugen placeret på siden. Se figur 13 for deres layout.
6. Gennem samme luge, bolt de fire detektorer på de udpegede bevægelige mounts i spektrometer krop, reservere en detektor for H-lignende spektrum, og de tre andre for He-lignende spektrum. Dette arrangement er illustreret i figur 14.
7. Placer mounts 125 cm fra krystallerne så linjen fra midten af krystallerne til det i detektorerne danner en vinkel θ _b / 2 med linjen fra centrum af Rowland cirklen til midten af krystal, hvor θ _b er Bragg-vinklen for centrum af spektret, der måles. Se figur 5.
   1. Bemærk, at for argon, H-lignende krystaller, der anvendes resultater i θ _b = 55,5 °, og He-lignende krystaller, der anvendes resultater i θ _b = 60,5 °.
8. Vinkel detektorerne til at matchemodificeret arrangement vist i figur 5.
   1. Bemærk, at præcis justering af detektorerne er ikke vigtig, da de indsamlede data vil blive kalibreret mod en kendt kilde i forsøgsperioden løb.
9. Separat HIREXSR s helium atmosfære fra tokamak tomrum ved at installere en 0,001 "tyk og 4" diameter beryllium vindue. Se Figur 13 for dets layout.
10. Installer en 10 "gate ventil mellem vinduet og reaktor for at beskytte mod svigt af beryllium vinduet.
    1. Bemærk, at skydeventilen bør lukke, når den lokale tryk stiger over 10 mTorr for at undgå skade på både spektrometer og TOKAMAK.
11. Se Figur 6 og Figur 15 for top-down og fra siden, henholdsvis HIREXSR og Alcator C-Mod, sammen med relative afstande af detektorerne og krystaller, og mellem spektrometer og tokamak.

1. Der henvises til de relevante offentliggjorte værker for detaljerne og detaljerne om opførelsen af laseren blow-off apparat ^10.
2. For at injicere calcium, tage en 2 um _CaF2 slide med 100 Å af chrom (til støtte i laser absorption i materialet) og placer dias i laseren blow-off system. Da dette kræver adgang til C-Mod reaktor, gøre dette, før operationer begynder for dagen.
3. Skift til kanal 14 på Alcator C-Mod lukkede kredsløb kabel-tv-system for at se en sort og hvid CCD kamera, der ure diaset. Den 633 nm diode laser spot skal være synlig på diaset.

4. Løb en Plasma Experiment

1. I begyndelsen af ​​kørslen dag, starte det script, der vil indsamle og gemme data fra X-ray optælling pixel detektorer for hver eksperimentel køre, eller "skud". Dette vil afhænge af den konkrete detektor setup i place. Trinene er specifikke for HIREXSR præsenteres her.
   1. Fra en arbejdsstation i C-Mod kontrolrum, opdrage en kommandolinje terminal.
   2. Tilslut til en detektor på afstand ved at skrive "ssh -X the @ dec0xx", hvor xx spænder fra 07 til 10.
   3. Skift mapper ved at indtaste "cd p2_1mod"
   4. Kør kommandoen "runtvx". Dette vil bringe et vindue, der vil lavine med tekst.
   5. Når teksten stopper, tryk på Enter to gange. Den startup script vil sætte billedhastigheden til 50 Hz og tærskel energi til ~ 2 keV. En anden lavine af tekst vil ske, og detektorerne vil begynde kalibrering.
   6. Vent, indtil alt dette ender, og indtast "exit" i vinduet.
   7. Gentag for hver detektor 07-10.
2. Hele dagen, opretholde en heliumatmosfære i HIREXSR lidt over omgivelsernes temperatur ved kontinuerligt at pumpe gas ind i huset under hele operationen. Dette reducerer atmosfærisk røntgen attenering og termisk udvidelse af krystallen.
3. Samarbejd med on-site teknisk personale til at sikre plasma når de ønskede plasma parametre under den kommende skud. Hvis parametrene er at skifte fra skud til skud, meddele dette til den tekniske personale mellem hvert skud.
   1. Derudover engang under kørslen dag, anmode om en "låst tilstand" skud fra ingeniører til kalibrering af data taget den dag. Se Reinke et al. 2012 ¹ for en forklaring af låste tilstande, og hvordan de anvendes til kalibrering.
4. For perturbative undersøgelser transport: Før hvert skud, program laseren blow-off system til at injicere den ønskede koncentration af urenheder ikke-genbrug _(CaF2, Sc, etc.) i plasma ved ønskede tidspunkter.
   1. Beslut dig for en laser spot størrelse, der styrer mængden af ​​materiale ablateret fra slide. Fra operationel erfaring ved Alcator C-Mod, omtrent 10% af den løsrevne material gør det i plasma kerne under lavt effektforbrug ^10. Typiske pletstørrelser området fra 0,5 til 3,5 mm.
   2. Bestem de ønskede blow-off tider, under hensyntagen til den maksimale 10 Hz drift hastighed.
   3. Indtast det ønskede sted størrelse og tider til laser blow-off system kontrol GUI. For eksempel transport undersøgelse fra Rice et al. 2013 ¹¹ varierede stedet størrelser fra 0,5 og 3,5 mm og havde injektioner hver 300 ms.
5. For alle undersøgelser: Indstil gas ventil til pust argon ind i plasmaet 0,3 sek efter plasma starter. Den puff skal vare ca. 0,1 sek og hæve argon tæthed til omkring 10 ^-4 gange elektron tæthed.
6. Brug dwscope at se live diagnostiske data under kørslen dag for systemer, der anvender MDSplus, såsom C-Mod.
   1. Fra en arbejdsstation i tokamak kontrolrummet, åben dwscope fra programmenuen
   2. Opnå en eller flere omfang filer med relevante diagnostik vist fra anothis bruger, eller oprette brugerdefinerede dem ved hjælp af MDSplus Tree Command Language (avanceret).
   3. Klik på "Tilpas | Brug Gemte indstillinger fra ..." og vælg en rækkevidde fil til at indlæse den. Et nyttigt eksempel omfang, plasma_n_rot_z.dat, vises med dwscope GUI i figur 16.
   4. Lad tekstfeltet i den nederste bar blank og data vil blive indlæst fra den seneste skud.
   5. Indtast eventuelt et skud nummer og klik på "Anvend" for at indlæse data fra en bestemt skud.
7. Informer de tekniske operatører, alle forberedelser til den kommende skud er fuldstændige, og at de kan fortsætte med at antænde plasmaet.
8. Vent for operatørerne at indlede plasmaet og for at slutte. I Alcator C-Mod, vil indledningen processen vare omkring 3 min og plasma vil brænde for mindre end 10 sek.
   1. Hvis du bruger laser blow-off system, visuelt bekræfte slide ablation via kameraets billede af dias (se afsnit 3).
   Vent til tokamak til afkøling for at gå videre til det næste skud. I Alcator C-Mod, vil denne proces vare 10-15 min.
   1. Brug denne tid til at foretage ændringer i den eksperimentelle sat op og meddeler dem til de operatører, så de kan anvendes senere, hvis det ønskes.
9. Bemærk, at hvis der ønskes ændringer på hardware, skal forskerne anmode om en "celle" til, operatørerne, hvor de vil åbne tokamak og frigøre andre sikkerhedsfunktioner til at tillade folk at komme ind Alcator C-Mod omgivelser. Ellers ubegrænset adgang er til rådighed før og efter løbet dagen. Hardhats bør altid bæres, når der arbejdes i nærheden af ​​reaktoren.
10. Brug dwscope som før at gennemgå eventuelle ønskede plasma diagnostik efter flugt dag har indgået.
    1. Bemærk, at data også kan programmeringsmæssigt tilgås via forskellige MDSplus API'er til forskellige sprog.

5. Kalibrering afHIREXSR Låst tilstand data Brug THACO

1. Brug HIREXSR Analyse Code (THACO) til at invertere HIREXSR data, som er line-integreret ^12. Reference og detaljeret opdeling for alle disse trin kan findes online i det ikke-offentliggjorte THACO Manual på MIT Plasma Videnskab og Fusion Center (PSFC) online bibliotek. Dette afsnit omhandler opsætning og lancering af THACO første gang, efterfulgt af kalibreringsprocessen.
2. Følg anvisningerne på Alcator C-Mod wiki side for THACO at oprette THACO for første gang brug på en maskine tilsluttet PSFC netværket. Du kan også nødt til at anmode skriveadgang til spektroskopi træet fra netværksadministratoren.
3. Indtast "IDL 'i en kommandolinje fra at starte IDL kommandolinjen.
4. Fra IDL, indtaste '@ thaco.bat' for at starte THACO.
5. Identificere en låst tilstand, der skal anvendes til kalibrering af dataene.
   1. Åbn en webbrowser, og navigere til PSFC logbog.
   2. Klik på & #34; query knappen "skik at opdrage en søgeside.
   3. I den brugerdefinerede forespørgslen tekstfeltet, indtaste "SHOT LIKE '1yymmdd %%%" og TEKST LIKE'% låst tilstand% ' ", hvor ÅÅMMDD er år / måned / dag af køre dag, for at få log indgange, der indeholder teksten Låst mode.
   4. Bestem skudt nummeret på den låste tilstand fra logoptegnelser, og notere de låste tilstand start / sluttidspunkter.
   5. Bemærk, at det at have en låst tilstand baseline er ikke strengt nødvendigt, at alle diagnostik, ligesom dem, der involverer linje nøgletal ligesom bestemme elektron temperatur ^13, men er stærkt anbefales, da Bragg-vinklen kan skifte fra dag til dag på grund af de krystal gitter ekspanderende / ordregivende ¹⁴ .
6. I THACO GUI, indtaste den låste tilstand skudt nummer til tekstfeltet "(ACTIVE) SHOT", og tryk enter.
7. Tryk på knappen "LAUNCH W_HIREXSR_CALIB" og starte kalibreringen widget.
   1. I vinduet thpå popper op, skal du sørge for, at feltet "SHOT" indeholder den låste tilstand skudt nummer, og notere nummeret i "MODUL". Tryk på Enter efter eventuelle ændringer er foretaget til noget felt.
   2. Klik på "LOAD" knappen i den øverste tredjedel af vinduet og vente på data, der skal indlæses.
   3. Klik på "LOAD" i den midterste tredjedel af vinduet og vente på flere data, der skal indlæses.
   4. Hvis data er indlæst og fit ellipser se godt ud, gentag kalibreringen takt med et andet nummer i "MODUL" feltet (1-4), da den låste tilstand skudt allerede er blevet kalibreret.
   5. Hvis alle moduler (1-4) allerede er blevet kalibreret, springe resten af ​​kalibrerings- og detektor tilpasning skridt da skuddet allerede er kalibreret, og gå direkte til afsnit 6.
8. Begynd spektral tilpasning ved at vælge den relevante indstilling i øverste højre hjørne af vinduet. Kun H-lignende og han-lignende Ar og Ca spektre enre understøttet ud af boksen i øjeblikket.
   1. Indstil "t1 =" og "T2 =" felter til den låste tilstand start / sluttidspunkt henholdsvis der er nævnt i logbogen.
   2. Flyt "FIT LOW" og "til høje" skyderne indtil regionen pasform, angivet med stiplede hvide linjer oven på spektret i øverste venstre, indeholder kun det område, hvor de spektrale linjer af interesse synligt løst.
   3. Klik på knappen "FIT / SAVE SPECTRA" og vent tilpasningsprocessen til slut.
   4. Når tilpasningsprocessen er færdig, brugte "SPEC" slider eller venstre / højre pilene ved siden af ​​den i den midterste tredjedel af GUI visuelt inspicere alle de spektrale passer.
   5. Fjern eventuelle dårlige eller outlier passer ved at markere afkrydsningsfeltet "BAD" ved siden af ​​"SPEC" slider. Referere værkerne fundet i trin 1.3 til sammenligning med kendte spektre. For eksempel vil han-lignende Ca spektre ligne figur 10.
   6. Begynd ellipse tilpasning ved at vælge den ønskede linie (w, x, y, z) fra det nederste tredjedel af GUI.
      1. Klik på knappen "FIT ellipser" og vent ellipser at være egnet til at de spektrale passer.
      2. Flyt "Low", "høj" og "OUTL" skyderne indtil ellipsen passer visuelt matcher spektre. De ellipser er egnet med en ikke-lineær mindste kvadraters metode MPFIT ^15, hvilket kan være kræsen.
      3. Klik på knappen "SAVE ellipser" når du er færdig, og gentag processen med den næste ønskede linje.
      4. Når alle linjer har været i form, ændre "MODUL" til et andet modul (1-4), der ikke er blevet kalibreret endnu, og tryk enter, og fortsæt igen fra trin 5.7.1.
      5. Når alle moduler er blevet kalibreret, skal du klikke på knappen "QUIT" (ikke den "x") for at lukke widget.
   7. Tryk på knappen "LAUNCH W_HIREXSR_DET_ALIGN" for at starte detektoren justering widget. <ol>
   8. I "SHOT" indtaster skud antallet af en nylig kendt låst tilstand, som allerede er blevet kalibreret og tryk enter. Vær opmærksom på "MODUL" feltet.
   9. Klik på "LOAD" knappen og vente på data til at indlæse.
   10. I nederste venstre hjørne, nedskrive alle skyderen værdier i "DETECTOR POSITION" panel.
   11. I "SHOT" indtaster skud antallet af den låste tilstand bliver kalibreret og tryk enter.
   12. Klik på "LOAD" knappen og vente på data til at indlæse.
   13. Indtast værdierne nedskrevet tidligere i "DETECTOR POSITION" panel, trykke på Enter efter hver ændring.
   14. Skift værdierne i "DETECTOR POSITION" panel, enten gennem skyderne eller ved manuelt at ændre værdier i tekstbokse, indtil alle eller de fleste af de cirkulære residualer ligger inden for det grønne bar.
   15. Ændre "modul" felt til et modul (1-4), der endnu ikke er blevet justeret og press ind. Derefter fortsættes fra trin 5.10.1.
   16. Når alle moduler er blevet justeret, skal du klikke på knappen "QUIT" (ikke den "x") for at lukke widget.
   17. Kalibrering er nu færdig; fortsæt til afsnit 6 med den låste tilstand skudt.

6. Avanceret Analyse af HIREXSR data Brug THACO

1. Brug HIREXSR Analyse Code (THACO) til at invertere HIREXSR data, som er line-integreret ^11. Reference og detaljeret opdeling for alle disse trin kan findes online i det ikke-offentliggjorte THACO Manual på MIT Plasma Videnskab og Fusion Center (PSFC) online bibliotek. Dette afsnit omhandler den egentlige inversion proces for at se profildata.
2. Bestem shot nummer for skud af interesse.
3. Fra THACO GUI, skal du indstille feltet "(ACTIVE) SHOT" til skud nummer, og tryk enter. GUI bør anerkende ændringen i loggen på bunden.
4. Vælg den spektrale linje af interesse, skal du indstille feltet &# 34;. LINE "til den linje antallet af interesse for argon, vil dette normalt være 2 for He-lignende z line, og 3 for H-lignende lya1 linje.
   1. Klik på "LISTE THACO linjenumre" at liste alle de linjenumre til rådighed.
5. Klik på fanebladet "binning" i øverste del af GUI.
   1. Klik på "TJEK THT LEDIGHED" for at kontrollere den THACO Tree (THT) tilgængelighed. Den nederste del af GUI skal logge alle tilgængelige THACO træer.
   2. Indstil feltet "nye THACO træ (THT) nummer" til det første tal ikke er opført i tilgængelighed.
   3. Klik på knappen "Opret" for at oprette en ny THT så tidligere analyse ikke overskrives.
   4. Klik på "TJEK THT LEDIGHED" igen for at opdatere listen over tilgængelige thts.
   5. Ændre "THT" feltet ved siden af ​​"(ACTIVE) SHOT" feltet til den nyoprettede THT nummer, og tryk enter. GUI log bør anerkende denne handling.
6. Hvis than aktuelle skud er ikke en låst tilstand, skal du klikke på fanen "CALIB" i øverste del af GUI.
   1. Ændre "kalibreringsdata Fra Shot" til den låste tilstand, der skal anvendes til at kalibrere dataene.
   2. Tryk på "COPY" knappen for at kopiere over kalibreringen.
7. Klik på fanen "binning" igen.
   1. Kontakt THACO manual for instruktioner om at gøre brugerdefinerede binnings.
   2. Sådan kopieres binning fra en tidligere analyse, indtaste skuddet / THT i deres respektive områder (trykke på ENTER efter hver ændring) i panelet med "COPY" knappen.
   3. Kopi over Binning: Vælg "BRANCH A" og klik på "COPY", vælg derefter "BRANCH B" og klik på "COPY" igen.
8. Klik på fanen "profiler" i øverste del af GUI.
   1. Kontakt THACO manual for instruktioner om, hvordan du bruger de avancerede funktioner til stede i dette afsnit.
   2. Ellers skal du indtaste skuddet / THT froma tidligere analyse i deres respektive områder (trykke på ENTER efter hver ændring) i toppanelet.
   3. Klik på "LOAD RHO" knappen, efterfulgt af "LOAD GOOD" knappen.
9. Klik på knappen "RUN THACO", og THACO vil begynde inversion processen. Dette kan tage et par minutter.
10. Bemærk at THACO faktisk befinder sig i en række uafhængige trin under denne proces: kører en multi-gaussisk pasning på spektrene til beregning øjeblikke af forskellige linjer, ved hjælp af disse øjeblikke at beregne line-integrerede profildata, derefter vende line-integrerede data gennem en mindste kvadraters metode. Mellemliggende output fra disse trin, som er nyttige til fejlfinding, kan findes i de øjeblikke og profiler widgets. Interesserede brugere opfordres til at se gennem THACO manual for yderligere oplysninger om disse trin og hvordan du bruger disse widgets til finere-kornet kontrol over inversion processen.
11. Når inversionsprocessen finishes, fra "profiler" fanen klik "LAUNCH_W_HIREXSR_PROFILES" til visuelt at inspicere profiler.
    1. Tryk på "LOAD" knappen i "Tree I / O" panel i bunden og vente på data til at indlæse.
    2. Hvis automatiseret proces mislykkes, find "DO inversioner" og klik på "ALL" til hurtigt at omgøre alle inversioner.
    3. Manuelt inspicere de omvendte profiler på højre ved hjælp af "TIME" skyderen i bunden for at ændre frames.
    4. Hvis der er nogen omvendte profiler, der synes at være forkert (f.eks negative temperaturer, unphysical gradienter mod kanten, etc.), skal du bruge knapperne - / + ved siden af "CH #" for at vælge vildskud kanaler på venstre, og fjern markeringen i "GOD" mulighed for at fjerne dem fra inversion trin.
       1. Bemærk, at emissioner tendens til at være svagere mod kanten, så usikkerheden er højere; dog bør det inverterede temperatur stadig gå til en lille (ikke nødvendigvis) zero værdi på kanten.
    5. Find "DO inversioner" og klik på "CURRENT" at invertere profil for den aktuelle ramme. Gentag fjerne outliers indtil den omvendte profil virker korrekt.
    6. Tryk på "SAVE" efter data synes tilfredsstillende.
    7. Brug profiler widget til at inspicere de data.
12. Hvis det ønskes, skal du klikke på "LAUNCH W_HIREXSR_COMPARE" under fanen "Sammenlign" for at sammenligne profiler konstrueret fra forskellige spektrallinier. En fælles scenarie, hvor det er nyttigt, er, når plasma kernetemperatur bliver varmt nok til argon H-lignende emission at overhale He-lignende emission.
13. Bemærk, at data også kan programmeringsmæssigt tilgås via forskellige MDSplus API'er til forskellige sprog. Se THACO manual for de relevante stier.

Representative Results

En repræsentativ data prøve fra pixel detektor til én gang bin for Han-lignende argon spektrum er vist i figur 17. De spektrale linjer, bøjet til en elliptisk form ved den sfæriske krystaller, er klart synlige. Den øverste detektor har en brudt detektor panel, og der er nogle døde pixels spredt på tværs af alle detektorerne. Data fra den brudte detektor panelet bør ignoreres. Skiver fra detektoren viser den målte spektre og resultaterne af den spektrale fitting udført af THACO over en enkelt akkord er vist i figur 18 og figur 19. Den resulterende line-integrerede profildata er vist i figur 20.

Et eksempel på en omvendt plasma temperatur og toroidal hastighedsprofil skabt af THACO fra He-, fx argon linjer kan ses i figur 21. De målte ion temperaturerfra HIREXSR enig med uafhængige diagnostik i andre målekanaler ^1. Med argon, en genanvendelse urenhed, tillader ion profiler, der skal måles over hele udviklingen af ​​plasmaet. Dette er afgørende for transport undersøgelser såsom i Rice et al. 2013 ^11, hvilket studie plasma udvikling over tid skalaer længere end den urenhed indespærring tid. Hvis detektorerne i stedet blev placeret til at måle en forbigående urenhed, såsom calcium, ville HIREXSR give forbigående profildata. Se Howard et al. 2011 ¹⁰ for en sådan undersøgelse.

Figur 1. Illustration af Bragg refleksion. Indgående stråler vil afspejle og konstruktivt interfererer baseret på deres indfaldsvinkel og bølgelængde. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2. En Rocking Kurve for en Calcit Crystal. Den sorte kurve er den bedste tilnærmelse til de observerede data, mens den stiplede linje er den idealiserede tilfælde, hvor der ikke er nogen absorption.

Figur 3. En Johann Spectrometer med Bent Crystal. Indgående stråler hændelse på det samme sted på omkredsen af cirklen har samme indfaldsvinkel på krystal og ender på det samme sted på detektoren. Klik her for at se en større version af denne figur.

d / 54.408 / 54408fig4.jpg "/>
Figur 4. En Johann Spectrometer med en sfærisk Bent Crystal. Den sfæriske bøjning af krystal giver mulighed for rumlig opløsning langs meridionale flyet, så spektre er fanget sammen flere line-gennemsnit akkorder gennem plasmaet. Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 5. Detektoren-krystal tilpasning anvendes i HIREXSR. I HIREXSR, detektoren er vinklet lidt fra standard arrangement for at give mulighed for en større vifte af bølgelængder, der skal måles. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6. Top-down CAD ​​View of HIREXSR. Denne CAD-tegning viser de relative positioner af de to detektorsystemer og spektrometret krystal til TOKAMAK vakuumbeholderen, som indeholder plasmaet. Den sightline af spektrometret er vinklet lidt off-aksen for at tillade toroidal drejning skal måles gennem Doppler-forskydning.

Figur 7. Indretning af optiske system. Denne figur viser layoutet af det optiske system til laser blow-off system fra Howard et al. ^10.

Figur 8. Fractional Charge State Overflod for forskellige Noble gasser. Dette plot viser de fraktioneret opladningstilstand mængdernetil forskellige ædelgasser i coronal ligevægt. Fuldt strippet stater i vist med fuldt optrukne linier, H-lignende med stiplet, han-lignende med streg-prik og Ne-lignende med streg-prik-prik. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9. Ca ¹⁸⁺ K / W Brightness-forhold. Den målte akkord-gennemsnit lyshedsforhold af dielectronic satellit k til resonans linje w i Han-lignende Ca ¹⁸⁺ (røde prikker) i forhold til den teoretiske kurve (grøn linje).

Figur 10. Målt Han-lignende Ca ¹⁸⁺ Spectrum. Den målte Han-lignende Ca ¹⁸⁺ (w, x, y og z) spektrum med satelli TES (mest fremtrædende '4', '3', q, r og k) er vist ved prikkerne. Et syntetisk spektrum beregnes med kollisionsdæmper-radiative modellering angivet ved den fuldt optrukne linie.

Figur 11. Målt H-lignende Ar ¹⁷⁺ Spectrum. Den målte spektrum af Ar ¹⁷⁺ Ly _α dublet og nærliggende satellitter (grønne prikker), med syntetisk spektrum (rød linje). Bemærk overlapningen mellem Mo ³²⁺ linie og Ly _α2 linje.

Figur 12. Målt Han-lignende Ar ¹⁶⁺ Spectrum. Målt røntgenspektre i nærheden af Ar ^{16 +} w resonans linjer. Bemærk logskalaen.

ure 13 "src =" / files / ftp_upload / 54.408 / 54408fig13.jpg "/>
Figur 13. Intern visende Krystaller og Be Window. Den beryllium vindue (a) og krystaller (b) vises som set fra det indre af huset. Be vinduet er mærket med grønne, den sfæriske krystal med rød, og den rektangulære krystal med lilla.

Figur 14. Intern View Viser detektorer. De tre detektor array til He-lignende spektre er vist til venstre i (a), og for H-lignende spektre er vist til højre i (b). De tre detektorer anvendes til han-lignende spektre tillader indfangning af spektre fra kernen og kanten af ​​plasmaet samtidig.

Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 16. Eksempel Udsigt dwscope. Denne figur viser et skærmbillede af en instans af dwscope. Linje-integrerede data fra HIREXSR er fremhævet af den røde boks. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 17. Eksempel Detektor output. Denne figur viser eksempel rå data indsamlet af dedetektorer over en eneste gang bin for He-lignende (top, midten) og H-lignende (nederst) argon spektre. Y-aksen svarer til en bølgelængde, og x-aksen til meridionale vinkel. De spektrale linjer, bøjet til en elliptisk form ved den sfæriske krystaller, er klart synlige. Toppen (1x forstærkning) og nederste (2x gevinst) spektre er fra kernen, og den midterste spektrum (8x gevinst) er fra kanten. De stiplede grønne linjer adskille forskellige regioner for den spektrale montering kode. Den øverste detektor har en brudt detektor panel, og der er nogle døde pixels spredt ud over alle de detektorer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 18. Eksempel Samlede H-lignende Spectra. Målt line-gennemsnit lysstyrke over argon H-lignende spektrum for enenkelt akkord og tid bin (top, hvid), svarende til en enkelt søjle af pixels i bunden detektor i figur 17. Det fjernede baggrund er vist med grønt, og en multi-gaussisk pasform er vist i cyan. Den samlede fit sammensatte spektrum er vist med den røde linje, og resterne er i den nederste figur. Bemærk aftalen med figur 11.

Figur 19. Eksempel Samlede Han-lignende Spectra. Målt line-gennemsnit lysstyrke over argon Han-lignende spektrum for en enkelt akkord og tid bin (top, hvid), svarende til en enkelt søjle af pixels i top detektor i figur 17. den fjernede baggrunden er vist med grønt, og en multi-gaussisk pasform er vist i cyan. Den samlede fit sammensatte spektrum er vist med den røde linje, og resterne er i den nederste figur.

Figur 20. Eksempel Line-Integreret profil. Denne figur viser et eksempel på den linje-integrerede data genereret af THACO fra resultaterne af linjen montering. Det skal tomografisk inverteret at returnere hele profilen.

Figur 21. Eksempel Inverted plasmaprofiler. Denne figur viser eksempel data, som er blevet inverteret ved THACO at producere temperatur og ringkerne rotation profiler. HIREXSR giver mulighed for både rumlig opløsning (langs y-aksen) og tidsopløsning (langs x-aksen). Klik her for at se en større version af dette tal.

Sensortype	Reverse forudindtaget silicium diode array
Sensor Tykkelse	320 um
Pixel Size	172 um × 172 um
Format	487 × 195 = 94,965 pixels
Areal	83,8 mm × 33,5 mm
Dynamic Range	20 bit (1: 1.048.576)
Tæl Rate Per Pixel	> 2 × 10 6 røntgenstråler / sek
Energi Range	3-30 keV
energiopløsning	~ 500 keV
Justerbar Threshold Range	2-20 keV
læsetid	2.7 ms
Maksimal Frame Rate	300 Hz
Punktspredningsfunktionen	1 pixel
ekstern Trigger / gate	5 V TTL
Strømforbrug	15 W
Mål	275 × 146 × 85 mm
Vægt	1 kg

Tabel 1. Detektor Specifikationer. Denne tabel viser detektor Specifikationerne for udformningen af HIREXSR.

Discussion

De data, der genereres ved denne teknik kan anvendes i en lang række eksperimentelle studier. Ion temperatur og ringkerne hastighedsprofiler kan anvendes i en bred vifte af transport undersøgelser, herunder indre selv-genererede plasma rotation og ikke-lokale perturbative virkninger. Måling spektre af injicerede urenheder gennem laser blow-off kan også give vigtige oplysninger om transporten af urenheder i plasmaet, som blev gjort i Howard et al. 2011 ^10. På dette tidspunkt, ingen anden plasma diagnostiske kan give tid og rumligt løst ion profildata fra plasma kerne ^1, hvilket gør X-ray imaging spektroskopi en ny metode til sondering plasma adfærd.

Den mest kritiske trin i protokollen er identifikationen af ​​spektrale linjer i bølgelængde området af interesse. Det er vigtigt, at linjerne bliver observeret er stærke til at give gode tællestatistik og forsvandt fra både hinanden og other satellit linjer. Den relative styrke af disse linjer kan ændre sig dramatisk med forskellige temperaturer, og kvante processer som dielektrisk rekombination kan have målbare effekter.

Hvis de spektrale linjer er svagt, kan det være muligt at forbedre deres styrke ved at indføre mere af den målte urenhed. Hvis et andet område af bølgelængder er af interesse, detektorerne skal blot bevæges langs Rowland cirklen, så længe Bragg-vinklen er stadig mellem større end 45 ° for at undgå afvigende stråler og under 80 ° for at forhindre interferens mellem indgående og reflekterede fotoner. Billedfrekvensen af ​​detektorerne kan også ændres til at være hurtigere eller langsommere. Detektoren tæller ikke fotoner under læsetid, så den del af tilfangetagne fotoner stiger med længere rammer, der giver mulighed for bedre statistikker i de opnåede data.

Den spektrometer-reaktor-interface skal være tæt til 10 ^-9 std cc /sek og i stand til at opretholde en trykforskel på 1 atm til hver side. Den beryllium vinduet er det ideelle valg for denne grænseflade på grund af sin høje styrke og god X-ray transmission koefficient, som er omkring 40% for 3,1 keV røntgenstråler. Helium atmosfære opretholdes inden i huset af HIREXSR at reducere røntgen dæmpning til omkring ~ 1% af indkommende stråler. Den konstante pumpning sikrer, at ingen luft siver ind i huset og forurener den lokale atmosfære. Disse systemer bør være dobbelt-checket for lækager at sikre røntgenstråler gøre det til detektorerne.

En vakuumkammer ville være det ideelle hus til spektrometer. Men sådan et kammer er meget dyrt og upraktisk at opretholde et så stort spektrometer. Fremtidige forbedringer kunne fokusere på at bruge nye teknikker eller seneste innovationer til at skabe et spektrometer-reaktor interface og lokale atmosfære, der minimerer X-ray absorption, eller forsøge at gøre nuværende eller lignende designs billigere og more levedygtige.

Teknikken er begrænset af dens temperaturkrav, som plasmaet skal være varm nok til at ionisere urenheden af ​​interesse, men cool nok til at muliggøre rekombination. Desuden er H-lignende og han-lignende ioniseringstilstande foretrækkes, eftersom deres spektre er meget enklere og lettere at karakterisere. Det betyder at det er vanskeligt at få data fra køleren kant af plasmaet, og det kan kræve fysisk omkonfigurering af maskinen for at få brugbare data fra plasmaer over temperaturområdet TOKAMAK. Derudover er teknikken noget begrænset af nødvendigheden af ​​at køre kalibrering skud grund af den termiske udvidelse af spektrometer krystal. Dette kunne forbedres i fremtiden med bedre temperatur kontrol af krystal eller andre nye kalibrering teknikker.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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