Het toepassen van X-ray Imaging Crystal Spectroscopie voor gebruik als een High Temperature Plasma Diagnostic

Summary

X-ray spectra leveren een schat aan informatie over de hoge temperatuur plasma's. Dit manuscript presenteert de werking van een hoge golflengte resolutie ruimtelijk imaging X-ray spectrometer gebruikt om waterstof en helium-achtige ionen van medium atoomnummer elementen in een tokamak plasma te geven.

Abstract

X-ray spectra leveren een schat aan informatie over de hoge temperatuur plasma's; bijvoorbeeld elektron temperatuur en dichtheid kan worden afgeleid uit de lijn intensiteit ratio's. Door een Johann spectrometer bekijken van het plasma, is het mogelijk om profielen van plasma parameters zoals dichtheid, temperatuur, snelheid en goede ruimtelijke en tijdsresolutie construeren. Echter, benchmarking atomaire code modellering van X-ray spectra verkregen uit goed gediagnosticeerd laboratorium plasma's is het belangrijk om gebruik te maken van dergelijke spectra rechtvaardigen plasma parameters bepalen wanneer andere onafhankelijke diagnostiek zijn niet beschikbaar. Dit manuscript presenteert de werking van de hoge resolutie X-ray Crystal Imaging Spectrometer met ruimtelijke resolutie (HIREXSR), een hoge golflengte resolutie ruimtelijk imaging X-ray spectrometer gebruikt om waterstof en helium-achtige ionen van medium atoomnummer elementen in een tokamak bekijken plasma. Daarnaast heeft dit manuscript omvat een laser blow-off systeem dat dergelijke ionen kunnen introducerenaan het plasma met precieze timing om voor perturbatieve studies van transport in het plasma.

Introduction

X-ray spectra leveren een schat aan informatie over de hoge temperatuur plasma's; bijvoorbeeld elektron temperatuur en dichtheid kan worden afgeleid uit de lijn intensiteit ratio's. Door een Johann spectrometer bekijkt de plasma off-as, is het mogelijk om profielen van plasma parameters zoals dichtheid, temperatuur en snelheid in het plasma met een goede ruimtelijke en tijdsresolutie ^1,2 construeren. Dit manuscript presenteert de werking van de hoge resolutie X-ray Crystal Imaging Spectrometer met ruimtelijke resolutie (HIREXSR), een hoge golflengte resolutie ruimtelijk imaging X-ray spectrometer gebruikt om waterstof en helium-achtige ionen van medium atoomnummer elementen in een tokamak bekijken plasma.

HIREXSR wordt ingezet op Alcator C-Mod, een tokamak fusie apparaat met een grote en kleine straal van 0,67 m en 0,22 m respectievelijk. Het werkt meestal met deuterium-plasma's blijvende ~ 2 sec met een gemiddelde dichtheid tussen 0,2-8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 3. Onder deze omstandigheden raken gemiddelde tot hoge Z verontreinigingelementen sterk geïoniseerd en stralen in de X-ray range, welke maatregelen HIREXSR. Benchmarking atomaire code modellering van X-ray spectra verkregen uit goed gediagnosticeerd laboratorium plasma's is het belangrijk om gebruik te maken van dergelijke spectra rechtvaardigen plasma parameters bepalen wanneer andere onafhankelijke diagnostiek zijn niet beschikbaar ^4.

Elke spectrometer is gebouwd voor de gewenste toepassing. Dienovereenkomstig, een algemene beschrijving van de machine en de bijbehorende concepten is nodig om volledig te begrijpen deze krachtige tools ^5. Bragg reflectie treedt op wanneer een foton weerkaatst aangrenzende lagen van een kristal en een afstand af die een veelvoud van de golflengte. Figuur 1 toont dit verschijnsel. Deze voorwaarde wordt uitgedrukt door de vergelijking nλ = 2 d sin θ _b, waarbij n de orde van reflexie, λ de golflengte van het foton, d de scheiding tussen aangrenzende lagen van het kristal en _b θ is de Bragg hoek. Een directe communicatie tussen λ θ en _b geeft aan dat alle fotonen op een specifiek punt van het detectorvlak reizen met dezelfde golflengte. In de praktijk echter, absorptie en precisie beperkingen manifesteren als een afwijking van de Bragg hoek. Dit resulteert in een klein hoekbereik dat aanzienlijke constructieve interferentie, vertegenwoordigd door een rocking curve ⁶ produceren. Figuur 2 is een voorbeeld van een curve voor calcietkristal.

HIREXSR een Johann spectrometer met een sferisch gebogen kristal ^7. Alvorens dit soort apparaat, een bespreking van een eenvoudiger, cirkelvormige spectrometer passend. Deze set-up bestaat uit een gebogen kristal dat binnenkomende fotonen tegen hun respectieve Bragg hoeken te weerspiegeltweert een reeks van één X-ray foton tellen pixel detectoren. Het kristal en de detector leggen raaklijn aan de Rowland cirkel, zoals weergegeven in figuur 3. De diameter van de Rowland cirkel gelijk is aan de kromtestraal van het kristal. Alle stralen vanuit een gegeven punt op de omtrek naar elk punt op het kristal dezelfde invalshoek ten opzichte van het kristal zelf.

. Bij HIREXSR, een sferisch gebogen kristal vergunningen ruimtelijke resolutie in de meridionale vlak, in figuur 4 de meridionale scherpstelling _fm wordt gedefinieerd als: _fm = _Re sin θ _b, waarin _Rc de kromtestraal van het kristal. De sagittale nadruk f _s is gedefinieerd als: f _s = - f _m / cos 2 θ _b. De ruimtelijke resolutie van de spectrometer Δ x wordt gegevendoor: , Waarbij L _cp is de afstand tussen het kristal en het plasma, en d de hoogte van het kristal. Omdat de 2-dimensionale ruimte tussen de kristallagen discreet moet hiermee rekening worden gehouden bij het kiezen van een materiaal. Aangezien de detector oppervlakken vlak zijn, kunnen ze alleen raakt aan de Rowland cirkel op een punt, die derhalve aanleiding geeft tot fout omdat de gedetecteerde straling niet precies landen op hun corresponderende punten op de Rowland cirkel. Fysiek, deze foutieve uitlijning manifesteert zich als een 'uitsmeren' van fotonen van specifieke energie op de detector. Dit Johann error geeft , Waarbij L de breedte van het kristal. Als de detector pixelbreedte Ax _p is veel groter dan de Johann fout en de spectrale resolutie onafhankelijk ervan. Als zij eenre van vergelijkbare grootte, dan is de totale fout kan worden benaderd door . Het oplossend vermogen van het kristal spectrometer wordt gegeven door: waar . In plaats van de detector raaklijn aan een punt op de Rowland cirkel echter in HIREXSR de detector enigszins schuin om de nauwkeurigheid te offeren voor de spectrale bereik, zoals weergegeven in figuur 5. Deze foutenanalyse is experimenteel geverifieerd en voldoet aan verwachting ^8.

Er zijn twee cruciale parameters te overwegen bij het ontwerpen van een Johann spectrometer. Ten eerste, de imaging-range bepaalt wat de spectrometer zal worden observeren. Plasma te bestuderen, is het zeer gewenst om de gehele dwarsdoorsnede om onderscheid te maken tussen lijn is verschoven door Poloidale en Toroi bekijkendal rotatie. HIREXSR zodanig gemonteerd dat deze de gehele plasma kunnen bekijken, en iets gekanteld off-as over -8 ° (in figuur 6) om nauwkeurige metingen ringkern. Ten tweede, de tijd resolutie regelt de minimale tijd tussen gebeurtenissen die de spectrometer kan opnemen. Voor Alcator C-Mod wenselijk zijn lager dan 20 msec, korter dan de energie van deeltjes opsluiting tijden. De röntgendetector tellen pixel detectoren HIREXSR gebruikt een tijdresolutie van 6 tot 20 msec of groter kan ondersteunen ^9. Tabel 1 vat alle module specificaties.

Voor perturbatieve plasma studies wordt de laser blow-off systeem Alcator C-Mod gebruikt om meerdere ablaties te leveren met een precieze timing ^10. De laser een Nd: YAG (neodymium gedoteerde yttriumaluminiumgranaat) werkend bij tot 10 Hz. De laser valt in op een op afstand bestuurbare optische keten zoals getoond in figuur 7 dat leidend ossende balk naar de gewenste locatie op de dia. Vlekgroottes van de laser moet worden gecontroleerd zodat de inspuiting het plasma onmogelijk maakt. Een grote brandpuntsafstand (1146 mm) positieve lens vertaald langs de optische as via een op afstand bedienbare lineaire fase om geablateerd vlekgroottes variëren van -0,5 tot 7 mm. Fast beam besturing wordt bereikt via een 2D-piëzo-elektrische spiegel. Dit piëzo-elektrisch systeem is gemonteerd op een RS232 aangedreven spiegel monteren staat. Naast de Nd: YAG laser, wordt een 633 nm diodelaser gebruikt om de locatie van de belangrijkste straal (infrarood) geven. De balken worden gemaakt worden collineair is met de eerste spiegel.

Protocol

1. Het kiezen van geschikte spectraallijnen

1. Kies geschikte emissielijnen dat de kwaliteit van de verkregen gegevens te bepalen. Figuur 8 toont welke edelgas emissielijnen betrokken bij verschillende waarden voor de elektronen temperatuur wordt.
   1. Merk op dat de ionisatie staat en de lijn ratio's worden bepaald door de concurrentie van de ionisatie, botsingsstralingsmodellen excitatie, stralende recombinatie en diëlektrische recombinatie. Deze processen kunnen variëren met plasma en -dichtheid. Zie figuur 9 voor een voorbeeld van deze variatie.
2. Verwijzen naar andere gepubliceerde werken voor de golflengten en de relatieve sterkte van de emissie lijnen van belang. In dit protocol gebruiken medium Z He-achtige ionen zoals gekenmerkt in Rice, JE et al. (2015) ^4. Zie figuur 10 voor een voorbeeld spectrum.
3. Merk op dat het belangrijk satellieten lijnen bestuderen buiten de belangrijkste serie mocht could opgelost met de lijnen die worden gemeten zijn. Sommige intrinsieke onzuiverheden (Fe, Mo, ​​Ti, etc.) zal altijd aanwezig uit plasma-gerichte structuur en componenten in de tokamak zijn. Bijvoorbeeld, Figuur 11 suggereert argon Ly _α1 is een betere keuze dan de Ly _α2 lijn aangezien dit overlapt met een molybdeen lijn.
4. Voor plasma's in temperatuur varieert rond 0,5-3 keV, vangen de volgende He-achtige lijnen voor argon (allen van n = 2 overgangen): resonantie (w, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ¹ P _1), verboden (z, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ S _1), en intercombination (x, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P ₂ en y, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P _1). Argon n = 2 overgangen, de H-achtige spectrum ligt tussen 3,72 A <λ <3,80 Å en He-achtige spectrum ligt tussen 3,94 A <λ <4,00 Å. Zie Figuur 11 en Figuur 12 voor percelen van deze spectra.

2. Montage van de HIREXSR Hardware

1. Raadpleeg de relevante gepubliceerde werken voor de details en specifieke informatie over de montage en het opbouwen van HIREXSR ^1,2,5. Deze sectie zal zich richten op de belangrijkste en meest kritische stappen in die procedure.
2. Mount HIREXSR op een van de circuit-vormige havens Alcator C-Mod, hoek zodat een 8 ° off-diagonaal bekeken.
3. Het verkrijgen van een ronde (102) -Quartz kristal met een 4,56215 een 2D afstand, een diameter van 50 mm en een 1385 mm radius van de kromming van de H-achtige spectrum te bekijken.
4. Verkrijgen van een rechthoekige (102) met een -Quartz 4,56215 A 2D afstand en een breedte van 64 mm en een hoogte van 27 mm aan de He-achtige spectrum zien.
5. Invoegen en beide kristallen in de behuizing van HIREXSR monteren door de toegang tot de huisvesting van de spectrometer door middel vanhet luik op zijn kant. Zie figuur 13 voor de lay-out.
6. Door dezelfde luik grendel de vier detektoren op de aangewezen beweegbare bergen in de spectrometer lichaam, reserveren één detector voor de H-achtige spectrum, en de andere drie van de He-achtige spectrum. Deze opstelling is weergegeven in figuur 14.
7. Plaats de steunen 125 cm van de kristallen zodanig dat de lijn van het centrum van de kristallen aan die van de detektoren een hoek θ _b / 2 met de lijn van het centrum van de Rowland cirkel naar het midden van het kristal, waarbij θ _b de Bragg hoek van het centrum van het spectrum te meten. Zie figuur 5.
   1. Merk op dat voor argon, de H-achtige kristal dat resulteert in θ _b = 55,5 °, en de He-achtige kristal dat resulteert in θ _b = 60,5 °.
8. Hoek de detectoren om de matchgemodificeerde inrichting geïllustreerd in figuur 5.
   1. Merk op dat de precieze uitlijning van de detectoren is niet belangrijk, de verzamelde gegevens met een bekende bron tijdens de experimentele run worden gekalibreerd.
9. Aparte HIREXSR's helium sfeer van het tokamak vacuüm door het installeren van een 0.001 "dik en 4" diameter beryllium-venster. Zie figuur 13 voor de lay-out.
10. Installeer een 10 "afsluiter tussen het raam en de reactor te beschermen tegen het falen van de beryllium-venster.
    1. Merk op dat de afsluiter moet sluiten wanneer de lokale druk boven 10 mTorr tot beschadiging van zowel de spectrometer en de tokamak voorkomen.
11. Zie Figuur 6 en Figuur 15 voor top-down en zijaanzicht, respectievelijk van HIREXSR en Alcator C-Mod, samen met de relatieve afstanden van de detectoren en kristallen, en tussen de spectrometer en tokamak.

1. Zie de relevante publicaties van de details en bijzonderheden van de constructie van de laser afblazen inrichting ^10.
2. Om calcium te injecteren, neem een 2 pm _CaF2 dia met 100 A van chroom (om te helpen bij laser absorptie in het materiaal) en plaats de dia in de laser blow-off systeem. Aangezien dit de toegang tot de C-Mod reactor vereist, doe dit al eerder operaties te beginnen voor de dag.
3. Wissel naar kanaal 14 op Alcator C-Mod's gesloten circuit kabel-TV-systeem om een ​​zwart-wit CCD-camera die de dia horloges te bekijken. De 633 nm diodelaser spot moet zichtbaar op de dia zijn.

4. Het runnen van een Plasma Experiment

1. Aan het begin van de run dag, start het script dat zal verzamelen en de gegevens van de X-ray tellen pixel detectoren sparen voor elke experimentele run, of "shot". Dit zal afhangen van de specifieke detector setup in place. De specifieke HIREXSR stappen worden hier gepresenteerd.
   1. Vanaf een werkstation in de C-Mod control room, brengen een command line terminal.
   2. Verbinding maken met een detector op afstand door het invoeren van "ssh -X det @ dec0xx", waarbij xx varieert 07-10.
   3. Verander directories door het invoeren van "cd p2_1mod"
   4. Voer het commando "runtvx". Dit zal een venster dat lawine met tekst.
   5. Zodra de tekst stopt, druk op enter tweemaal. De startup script zal de framerate ingesteld op 50 Hz en de drempel energie om ~ 2 keV. Nog een lawine van de tekst zal gebeuren en de detectoren zal kalibreren beginnen.
   6. Wacht tot dit alles eindigt, en voer "exit" in het venster.
   7. Herhaal dit voor elke detector 07-10.
2. Gedurende de dag, onderhouden van een helium atmosfeer HIREXSR iets boven de omgevingstemperatuur door continu pompen van het gas in de behuizing voor de duur van de operatie. Dit vermindert sfeervolle X-ray attenatie en thermische expansie van het kristal.
3. Samenwerken met on-site technisch personeel om ervoor te zorgen het plasma tijdens de komende schot de gewenste plasma parameters bereikt. Als de parameters te veranderen van schot tot schot, dit aan de technische staf tussen elk schot.
   1. Bovendien, ergens tijdens de run dag, vraag dan een "vergrendelde modus" schot vanaf de technische staf voor de kalibratie van de gegevens genomen die dag. Zie Reinke et al. 2012 ¹ voor uitleg vergrendelde standen en hoe ze worden gebruikt voor de kalibratie.
4. Voor perturbatieve transport studies: Voor elk schot, het programma van de laser blow-off systeem om de gewenste concentratie van niet-recycling onzuiverheden _(CaF2, Sc, etc.) in het plasma op de gewenste tijden injecteren.
   1. Beslis over een laserpuntgrootte, waarbij de hoeveelheid materiaal geablateerd van de glijbaan bestuurt. Uit operationele ervaring bij Alcator C-Mod, ongeveer 10% van de ablatie stuurmanrial maakt het in het plasma kern in het laagseizoen krachtige werking ^10. Typische vlekgroottes gebied van 0,5 tot 3,5 mm.
   2. Bepaal de gewenste blow-off timings, rekening houdend met de maximale 10 Hz werksnelheid.
   3. Voer de gewenste spotgrootte en timings om de laser blow-off systeem controle GUI. Bijvoorbeeld, het transport onderzoek van Rice et al. 2013 ¹¹ varieerde de vlekgroottes 0,5-3,5 mm en had injecties elke 300 msec.
5. Voor alle studies: Stel de gasklep te bladerdeeg argon in het plasma 0,3 sec na de plasma begint. De rookwolk zou moeten duren ongeveer 0,1 sec en het verhogen van de argon dichtheid tot ongeveer 10 ^-4 keer de elektronendichtheid.
6. Gebruik dwscope om live diagnostische gegevens tijdens de run dag voor systemen die gebruikmaken MDSplus, zoals C-Mod bekijken.
   1. Vanaf een werkstation in de tokamak controlekamer, geopend dwscope uit het programmamenu
   2. Het verkrijgen van één of meer ruimte bestanden met relevante diagnostiek blijkt uit anothER gebruiker of aangepaste degenen met behulp van de MDSplus Tree Command Language (gevorderden).
   3. Klik op "aanpassen | Gebruik Opgeslagen instellingen From ..." en selecteer een scope-bestand om het te laden. Een nuttig voorbeeld scope, plasma_n_rot_z.dat, wordt getoond met de dwscope GUI in figuur 16.
   4. Laat het tekstvak in de onderste balk leeg en gegevens van de meest recente opname worden geladen.
   5. Indien gewenst, voert u een schot in en klik op "Apply" om de gegevens van een bepaalde opname te laden.
7. Informeer de technische operatoren dat alle voorbereidingen voor de komende opname volledig zijn en dat zij overgaan tot het plasma te ontsteken.
8. Wacht tot de operatoren om het plasma te initiëren en te eindigen. In Alcator C-Mod, zal het initiatieproces duurt ongeveer 3 minuten en het plasma zal branden minder dan 10 sec.
   1. Bij gebruik van de laser blow-off systeem, visueel bevestigen slide ablatie via het camerabeeld van de schuif (zie hoofdstuk 3).
   Wacht tot de tokamak afkoelen in om door te gaan naar de volgende opname. In Alcator C-Mod, zal dit proces 10-15 minuten duren.
   1. Gebruik deze tijd om eventuele wijzigingen in de set-up experimentele maken en delen deze aan de operatoren, zodat ze later kunnen worden toegepast, indien gewenst.
9. Merk op dat als er wijzigingen aan de hardware gewenst zijn, de onderzoekers zou een "access cel" aan de exploitanten, waarin zij de tokamak wordt geopend en los andere veiligheidsvoorzieningen om mensen omgeving Alcator C-Mod in te voeren vragen. Anders, onbeperkte toegang is beschikbaar voor en na de run dag. Bouwvakkers moeten altijd gedragen worden bij het werken in de buurt van de reactor.
10. Gebruik dwscope als voorheen naar elke gewenste plasma diagnostiek te herzien na de run dag heeft gesloten.
    1. Merk op dat de gegevens ook programmatisch kan worden geraadpleegd via verschillende MDSplus API's voor verschillende talen.

5. Kalibratie vanHIREXSR Locked Mode Data met behulp van THACO

1. Gebruik De HIREXSR Analysis Code (THACO) naar HIREXSR gegevens te keren, dat is-lijn geïntegreerd ^12. Referentie en gedetailleerde uitsplitsing voor al deze stappen kunnen online in de ongepubliceerde THACO Manual op de MIT Plasma Wetenschap en Fusion Center (PSFC) online bibliotheek te vinden. In dit gedeelte worden de eerste keer installeren en opstarten van THACO, gevolgd door de kalibratie.
2. Volg de instructies op de Alcator C-Mod wiki-pagina voor THACO te zetten THACO voor de eerste keer gebruik op een computer aangesloten op het netwerk PSFC. U kan ook nodig zijn om schrijf toegang te vragen tot de SPECTROSCOPIE boom uit de netwerkbeheerder.
3. Voer 'IDL' in een command line van de IDL command line interface te lanceren.
4. Van IDL, voer '@ thaco.bat om THACO lanceren.
5. Identificeer een vastgezette modus moet worden gebruikt voor de kalibratie van de gegevens.
   1. Open een webbrowser en navigeer naar de PSFC logboek.
   2. Klik op de &#34; aangepaste vraag "knop om een ​​zoekpagina.
   3. In de aangepaste vraag tekstvak, voert u "SHOT LIKE '1yymmdd %%%' en de tekst zoals '% vergrendelde modus%' ', waarbij JJMMDD is het jaar / maand / dag van de run dag, om logboekvermeldingen met de tekst vergrendeld brengen modus.
   4. Bepaal het shot nummer van de vergrendelde modus uit het logboek inzendingen, en kennis te nemen van de vergrendelde modus start / eindtijden.
   5. Merk op dat met een vastgezette modus basislijn is niet strikt noodzakelijk voor diagnostiek, zoals die waarbij de stippellijn verhoudingen zoals bepaling van de elektronentemperatuur ^13, maar wordt sterk aanbevolen, aangezien de Bragg hoek kan verschuiven van dag tot dag als gevolg van het kristalrooster uitbreidende / Contract ¹⁴ .
6. In de THACO GUI, voert u de vergrendelde modus shot nummer aan het tekstveld "(actief) SHOT", en druk op enter.
7. Druk op de knop "LANCERING W_HIREXSR_CALIB" en start de kalibratie widget.
   1. In het venster thbij pops up, zorg ervoor dat het veld "SHOT" bevat de vergrendelde modus shot nummer, en kennis te nemen van het nummer "Module". Druk op Enter na eventuele wijzigingen worden aangebracht in elk gebied.
   2. Klik op de "LOAD" knop in het bovenste derde van het venster en wachten op gegevens die worden geladen.
   3. Klik op "LOAD" in het middelste derde deel van het venster en wachten op meer gegevens worden geladen.
   4. Als de gegevens zijn geladen en de pasvorm ellipsen er goed uitzien, herhaal calibratie stap met een ander nummer in het "MODULE" veld (1-4), aangezien de vergrendelde modus opname reeds gekalibreerd.
   5. Als alle modules (1-4) zijn al gekalibreerd, slaat u de rest van de kalibratie en detector uitlijning stappen sinds de opname al is gekalibreerd, en direct door naar Sectie 6.
8. Begin spectrale montage door het selecteren van de juiste optie in de rechterbovenhoek bovenhoek van het venster. Alleen H-achtige en He-achtige Ar en Ca spectra eenre momenteel out of the box ondersteund.
   1. Stel de "t1 =" en "T2 =" velden om de vergrendelde modus start / eindtijden respectievelijk dat in het logboek worden vermeld.
   2. Verplaats de "FIT LOW" en "HIGH FIT" schuifjes tot de regio fit, aangeduid met onderbroken witte lijnen bovenop het spectrum in de linkerbovenhoek, bevat alleen de regio waar de spectraallijnen van belang zichtbaar worden opgelost.
   3. Klik op de "FIT / SAVE SPECTRA" knop en wacht tot de montage-proces te voltooien.
   4. Zodra de fitting proces is voltooid, gebruikt de 'SPEC' schuifregelaar of de links / rechts pijlen ernaast in de middelste derde deel van de GUI visueel inspecteren van de spectrale past.
   5. Verwijder eventuele slechte of uitschieter past door het controleren van de "slechte" checkbox naast de "SPEC" slider. Verwijzen naar de werken die in stap 1.3 voor de vergelijking tegen bekende spectra. Bijvoorbeeld, He-achtige Ca spectra Figuur 10 lijken.
   6. Begin ellips montage door de gewenste lijn (w, x, y, z) vanaf het onderste derde deel van de GUI.
      1. Klik op de "FIT ELLIPSEN" knop en wacht tot ellipsen om fit aan de spectrale past zijn.
      2. Verplaats de "LOW", "HIGH" en "OutL" schuifjes tot de ellips visueel passen overeenkomt met de spectra. De ellipsen zijn standaard voorzien van een niet-lineaire kleinste kwadraten methode MPFIT ^15, die kieskeurig kan zijn.
      3. Klik op de "SAVE ELLIPSEN" knop als je klaar bent, en herhaal het proces met de volgende gewenste lijn.
      4. Als alle lijnen fit zijn, verandert de "Module" naar een andere module (1-4), dat nog niet is gekalibreerd en druk op enter, en opnieuw ga verder met stap 5.7.1.
      5. Wanneer alle modules zijn gekalibreerd, klikt u op de knop "STOP" (niet de 'x') om de widget te sluiten.
   7. Druk op de knop "LANCERING W_HIREXSR_DET_ALIGN" om de detector uitlijning widget lanceren. <ol>
   8. In de "SHOT" veld, voer het schot nummer van een recente bekende vergrendelde modus die reeds is gekalibreerd en druk op enter. Let op de "Module" veld.
   9. Klik op de "LOAD" knop en wacht tot de data te laden.
   10. In de linkerbenedenhoek, schrijf alle slider waarden in de "DETECTOR POSITIE" panel.
   11. In de "SHOT" veld, voer het schot nummer van de vergrendelde modus wordt gekalibreerd en druk op enter.
   12. Klik op de "LOAD" knop en wacht tot de data te laden.
   13. Voer de waarden beneden eerder in de "DETECTOR POSITIE" panel geschreven, op enter te drukken na elke wijziging.
   14. Veranderen de waarden in de "DETECTOR POSITIE" paneel, hetzij door de schuiven of handmatig veranderende waarden in de tekstvakken, totdat alle of bijna cirkelvormige residuen in de groene balk liggen.
   15. Verander de "MODULE" veld om een ​​module (1-4) die nog niet is uitgelijnd en pruk op te voeren. Ga dan vanaf stap 5.10.1.
   16. Wanneer alle modules zijn afgestemd, klikt u op de knop "STOP" (niet de 'x') om de widget te sluiten.
   17. Kalibratie wordt nu gedaan; ga dan naar Paragraaf 6 met de vergrendelde modus schot.

6. Geavanceerde Analyse van HIREXSR Data met behulp van THACO

1. Gebruik De HIREXSR Analysis Code (THACO) naar HIREXSR gegevens te keren, dat is-lijn geïntegreerd ^11. Referentie en gedetailleerde uitsplitsing voor al deze stappen kunnen online in de ongepubliceerde THACO Manual op de MIT Plasma Wetenschap en Fusion Center (PSFC) online bibliotheek te vinden. Dit hoofdstuk behandelt de eigenlijke inversie proces om gegevens te bekijken.
2. Bepaal het schot nummer voor de opname van belang.
3. Vanaf het THACO GUI, stelt u het veld "(actief) SHOT" om het schot nummer, en druk op enter. De GUI moet de verandering van de stam op de bodem bevestigen.
4. Kies de spectrale lijn van belang, stelt u het veld &# 34;. LINE "om het lijnnummer van belang zijn voor argon, zal dit meestal 2 voor de He-achtige z lijn, en 3 voor de H-achtige lya1 lijn.
   1. Klik op "LIST THACO LINE NUMBERS" om alle van de lijn nummers beschikbaar.
5. Klik op het tabblad "Binning" in het bovenste deel van de GUI.
   1. Klik op "CHECK THT Beschikbaarheid" om de beschikbaarheid THACO Boom (THT) te controleren. Het onderste deel van de GUI moet alle beschikbare THACO bomen te loggen.
   2. Stel het veld "nieuwe THACO tree (THT) nummer" naar het eerste nummer niet in de beschikbaarheid vermeld.
   3. Klik op de "Create" knop om een ​​nieuwe THT dus eerdere analyse wordt niet overschreven.
   4. Klik op "CHECK THT beschikbaarheid" om de lijst met beschikbare thts vernieuwen.
   5. Wijzig het veld "THT" naast "(actief) SHOT" veld om de nieuw gecreëerde THT-nummer, en druk op enter. De GUI log dient deze actie te erkennen.
6. Als tHij huidige shot is niet een vergrendelde modus, klikt u op het tabblad "CALIB" in het bovenste deel van de GUI.
   1. Verander de "Calibratiegegevens schot" naar de vergrendelde stand wordt gebruikt om de gegevens te kalibreren.
   2. Druk op de "Copy" knop om te kopiëren over de kalibratie.
7. Klik op het tabblad "binning" weer.
   1. Raadpleeg de THACO voor instructies over het maken van aangepaste binnings.
   2. Om te kopiëren binning uit een eerdere analyse, voert u de opname / THT in hun respectievelijke velden (op enter te drukken na elke wijziging) in het paneel met de "Copy" knop.
   3. Kopieer over de binning: Selecteer "TAK A" en klik op "COPY", selecteer vervolgens "TAK B" en klik op "COPY" weer.
8. Klik op het tabblad "Profielen" in het bovenste deel van de GUI.
   1. Raadpleeg de THACO handleiding voor instructies over hoe u de geavanceerde functies die aanwezig zijn in dit gedeelte te gebruiken.
   2. Anders voert het schot / THT toevoegdema eerdere analyse in hun respectieve gebieden (op enter te drukken na elke wijziging) in het bovenpaneel.
   3. Klik op de "LOAD RHO" knop, gevolgd door de "LOAD GOOD" knop.
9. Klik op de "RUN THACO" knop en THACO zal de inversie te starten. Dit kan een paar minuten duren.
10. Merk op dat THACO daadwerkelijk gaat door een reeks onafhankelijke stappen in dit proces: het uitvoeren van een multi-Gaussiaanse geschikt om voor de spectra momenten van verschillende lijnen berekenen middels de momenten Signaalgestuurd geïntegreerde profiel te berekenen, dan het omkeren van de lijn geïntegreerde data door middel van een kleinste kwadratenmethode. Intermediate-uitgangen van deze stappen, die bruikbaar zijn voor het oplossen van problemen, kunt u vinden in de momenten en profielen widgets. Geïnteresseerde gebruikers worden aangemoedigd om te kijken door de THACO handleiding voor meer informatie over deze stappen en hoe deze widgets te gebruiken voor het fijnere nauwkeurige controle over de inversie proces.
11. Zodra het inversieproces finishes, van de "profielen" tab klik "LAUNCH_W_HIREXSR_PROFILES" visueel te inspecteren de profielen.
    1. Druk op de "LOAD" knop in de "Boom I / O" paneel aan de onderkant en wacht tot de data te laden.
    2. Als het geautomatiseerde proces mislukt, vinden "DOE inversies voor" en klik op "ALL" om snel opnieuw alle inversies.
    3. Handmatig controleren de omgekeerde profielen aan de rechterkant met behulp van de "TIME" schuifknop aan de onderkant om frames te veranderen.
    4. Als er sprake is van omgekeerde profielen die verschijnen verkeerd (bijvoorbeeld negatieve temperaturen, onfysische hellingen naar de rand, enz.), Gebruik maken van de te zijn - / + knoppen naast "CH #" om uitschieter kanalen aan de linkerkant te selecteren, en vink de "GOED" optie om hen van de inversiestap verwijderen.
       1. Merk op dat emissies vaak zwakker naar de rand zodat onzekerheid groter; echter dient de omgekeerde temperatuur nog naar een kleine (niet noodzakelijk) zero waarde aan de rand.
    5. Vind "DOE inversies voor" en klik op "CURRENT" om het profiel voor de huidige frame omkeren. Herhaal verwijderen uitschieters tot het omgekeerde profiel correct lijkt.
    6. Druk op "SAVE" nadat de gegevens lijkt bevredigend.
    7. Gebruik de profielen widget om de gegevens te controleren.
12. Indien gewenst, klikt u op "LANCERING W_HIREXSR_COMPARE" op het tabblad "Vergelijken" om profielen opgebouwd uit verschillende spectrale lijnen te vergelijken. Een veelvoorkomend scenario waar dit zinvol is wanneer de plasma kerntemperatuur wordt heet genoeg voor argon H-achtige emissie naar de He-achtige emissie te halen.
13. Merk op dat de gegevens ook programmatisch kan worden geraadpleegd via verschillende MDSplus API's voor verschillende talen. Raadpleeg de THACO handleiding voor de betreffende paden.

Representative Results

Een representatieve gegevens monster uit de pixeldetecteerder eenmalig bak voor de He-achtige argon spectrum wordt getoond in Figuur 17. De spectraallijnen, gebogen in een elliptische vorm van de sferische kristallen, zijn duidelijk zichtbaar. De bovenste detector een gebroken detectorpaneel, en er zijn een aantal dode pixels verspreid over alle detectoren. Gegevens uit de gebroken detectorpaneel worden genegeerd. Segmenten van de detector met de gemeten spectra en de resultaten van de spectrale fitting gedaan door THACO via één akkoord zijn weergegeven in figuur 18 en figuur 19. De verkregen online geïntegreerde gegevens wordt getoond in figuur 20.

Een voorbeeld van een omgekeerde plasmatemperatuur en toroïdale snelheidsprofiel door THACO van de He-achtige argon lijnen is te zien in Figuur 21. De gemeten temperaturen ionvan HIREXSR eens met onafhankelijke diagnostiek in een meetpunt in ^de kanalen ^1. Met argon, recycling onzuiverheid, kan de ion profielen worden gemeten over de gehele ontwikkeling van de plasma. Dit is essentieel voor het transport studies zoals in Rice et al. 2013 ^11, welke studie plasma evolutie in de tijd langer schalen dan de onzuiverheid opsluiting tijd. Indien de detektoren zijn geplaatst in plaats van een tijdelijke onzuiverheid meten, zoals calcium, HIREXSR zou tijdelijke gegevens te verstrekken. Zie Howard et al. 2011 ¹⁰ van een dergelijk onderzoek.

Figuur 1. Illustratie van Bragg Reflection. Inkomende stralen zal weerspiegelen en constructief interfereren op basis van hun invalshoek en golflengte. Klik hier om te bekijken een grotere versie van deze figuur.

Figuur 2 een schommel grafiek voor een calcietkristal. De kromme is het beste past op de waargenomen data, terwijl de stippellijn de geïdealiseerde geval waar er geen absorptie.

Figuur 3. Een Johann Spectrometer met een gebogen Crystal. Inkomende stralen incident op dezelfde locatie op de omtrek van de cirkel hebben dezelfde hoek van inval op het kristal en eindigen op dezelfde plaats op de detector. Klik hier om te bekijken grotere versie van dit cijfer.

d / 54408 / 54408fig4.jpg "/>
Figuur 4. Een Johann Spectrometer met een Sferisch Bent Crystal. De sferische buiging van het kristal zorgt voor ruimtelijke resolutie langs de meridionale vliegtuig, dus spectra worden gevangen langs meerdere regels gemiddeld akkoorden door het plasma. Klik hier om een grotere versie te bekijken dit figuur.

Figuur 5. De detector-kristal uitlijning gebruikt in HIREXSR. In HIREXSR, de detector is iets schuin van de standaard regeling mogelijk te maken voor een groter bereik van golflengten te meten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6. Top-down CAD ​​View of HIREXSR. Deze CAD tekening toont de relatieve posities van de twee detector arrays en de spectrometer kristal aan de tokamak vacuüm schip, dat het plasma bevat. De zichtas van de spectrometer is iets schuin buiten de as te laten toroidale rotatie te meten door de Doppler shift.

Figuur 7. Opbouw van optisch systeem. Deze figuur toont de indeling van het optische systeem van de laser blow-off systeem van Howard et al. ^10.

Figuur 8. Fractional laadtoestand Overvloed voor verschillende edelgassen. Deze plot geeft grafisch de fractionele laadtoestand abundancesvoor diverse edelgassen in coronale evenwicht. Volledig gestript toestanden worden in getoond met getrokken lijnen, H-achtige met onderbroken, He-achtige met een streep-punt en Ne-achtige met een streep-punt-punt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 9. Ca ¹⁸⁺ k / w helderheid ratio's. De gemeten-akkoord gemiddelde helderheid verhouding van de dielectronic satelliet k om de resonantie lijn w in He-achtige Ca ¹⁸⁺ (rode stippen) in vergelijking met de theoretische curve (groene lijn).

Figuur 10. Gemeten He-achtige Ca ¹⁸⁺ Spectrum. De gemeten He-achtige Ca ¹⁸⁺ (w, x, y en z) spectrum met satelli tes (belangrijkste '4', '3', q, r en k) wordt aangegeven door de stippen. Een synthetische spectrum berekend met botsingsstralingsmodellen-stralende modellering aangegeven door de doorgetrokken lijn.

Figuur 11. Gemeten H-achtige Ar ¹⁷⁺ Spectrum. De gemeten spectrum van de Ar ¹⁷⁺ Ly _α doublet en de nabijgelegen satellieten (groene stippen), met synthetisch spectrum (rode lijn). Let op de overlap tussen de Mo ³²⁺ lijn en de Ly _α2 lijn.

Figuur 12. Gemeten He-achtige Ar ¹⁶⁺ Spectrum. Gemeten X-ray spectra in de omgeving van de Ar ¹⁶⁺ w resonantie lijnen. Let op de log-schaal.

ure 13 "src =" / files / ftp_upload / 54408 / 54408fig13.jpg "/>
Figuur 13. binnenaanzicht toont Kristallen en Be venster. Het venster beryllium (a) en kristallen (b) worden getoond zoals gezien vanuit het huis. Het venster Be is gelabeld met groen, de sferische kristallen met rode, en de rechthoekige kristal met paars.

Figuur 14. Toont binnenaanzicht detectoren. De drie detectormatrix voor He-achtige spectra wordt getoond links in (a), en H-achtige spectra wordt getoond aan de rechterzijde in (b). De drie detectoren voor He-achtige spectra oog op het vastleggen van spectra van de kern en de rand van het plasma tegelijkertijd.

Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Afbeelding 16. Voorbeeld View of dwscope. Deze figuur toont een screenshot van een instantie van dwscope. -Line geïntegreerde gegevens uit HIREXSR wordt benadrukt door het rode vak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 17. Voorbeeld Detector Output. Deze figuur toont bijvoorbeeld ruwe data door de verzameldetectors over een enkele keer bak voor He-achtige (boven, midden) en H-achtige (onder) argon spectra. De y-as overeenkomt met de golflengte, en de x-as meridionale hoek. Spectraallijnen, in een elliptische vorm gebogen door het bolvormige kristal, zijn duidelijk zichtbaar. De bovenste (1x gain) en onderste (2x gain) spectra van de kern en het middelste spectrum (8x winst) is van de rand. De gestippelde groene lijnen scheiden verschillende regio's voor de spectrale montage code. De top detector heeft een gebroken detector panel, en er zijn een aantal dode pixels verspreid over alle van de detectoren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 18. Voorbeeld Verzamelde H-achtige Spectra. Gemeten-lijn gemiddelde helderheid over het argon H-achtige spectrum voor eenenkel akkoord en tijdstip bin (bovenkant, wit), corresponderend met één kolom van pixels in het onderste detector in figuur 17. Het verwijderde achtergrond wordt getoond in groen, en een multi-Gauss fit wordt in cyaan. De totale fit samengestelde spectrum wordt getoond door de rode lijn, en de residuen zijn in de onderste figuur. Let op de overeenkomst met figuur 11.

Figuur 19. Voorbeeld Verzamelde He-achtige Spectra. Gemeten line gemiddelde helderheid via argon He-achtige spectrum voor een akkoord en tijdstip bin (bovenkant, wit), corresponderend met één kolom van pixels in het bovenste detector in figuur 17. de verwijderde achtergrond wordt getoond in groen, en een multi-Gauss fit wordt in cyaan. De totale fit samengestelde spectrum wordt getoond door de rode lijn, en de residuen zijn in de onderste figuur.

Figuur 20. Voorbeeld Line-Geïntegreerde Profile. Deze figuur toont een voorbeeld van de online geïntegreerde data gegenereerd door THACO uit de resultaten van de lijn fitting. Het moet tomographically worden omgekeerd om het volledige profiel terug te keren.

Afbeelding 21. Voorbeeld Inverted Plasma Profiles. Deze figuur toont bijvoorbeeld de gegevens die door THACO is omgekeerd om de temperatuur en toroidale rotatie profielen te produceren. HIREXSR zorgt voor zowel de ruimtelijke resolutie (langs de y-as) en tijdsresolutie (langs de x-as). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

sensor Type	Sperrichting silicon diode-array
sensor Dikte	320 micrometer
pixel Size	172 um x 172 urn
Formaat	487 x 195 = 94965 pixels
Gebied	83,8 mm x 33,5 mm
Dynamisch bereik	20 bits (1: 1.048.576)
Count Rate Per Pixel	> 2 x 10 6 röntgenstralen / sec
Energy Range	3-30 keV
Energy Resolution	~ 500 keV
Verstelbare Threshold Range	2-20 keV
uitlezing Time	2,7 msec
Maximum Frame Rate	300 Hz
Puntspreidingsfunctie	1 pixel
externe Trigger / gate	5 V TTL
Energieverbruik	15 w
Dimensies	275 × 146 × 85 mm
Gewicht	1 kg

Tabel 1. Detector Specificaties. Deze tabel geeft een overzicht detector specificaties voor het ontwerp van HIREXSR relevant.

Discussion

De opbrengst van deze techniek kunnen worden gebruikt in een grote verscheidenheid van experimentele studies. Ion temperatuur en toroïdale snelheidsprofielen kunnen worden gebruikt in een breed scala van transport studies, waaronder intrinsieke zelf opgewekte plasma rotatie en niet-lokale perturbatieve effecten. Het meten van spectra van geïnjecteerd onzuiverheden door middel van laser blow-off kan ook belangrijke informatie over het vervoer van onzuiverheden in het plasma, zoals werd gedaan in Howard et al. 2011 ^10. Op dit moment geen andere plasmadiagnostiek kunnen tijd te geven en ruimtelijk opgeloste ionen profielgegevens van de plasmakern ^1, waarbij röntgenbeelden beeldvormende spectroscopie een nieuwe werkwijze voor het sonderen plasmagedrag.

De meest kritische stap in het protocol is de identificatie van spectraallijnen in het golflengtegebied van belang. Het is belangrijk dat de lijnen worden waargenomen sterke goed tellen statistieken en opgelost zowel elkaar other satelliet lijnen. De relatieve sterkte van deze lijnen kunnen dramatisch veranderen met verschillende temperaturen en kwantumprocessen dergelijke diëlektrische recombinatie meetbare effecten.

Als de spectraallijnen zwak, kan het mogelijk zijn om de sterkte te verbeteren door meer van de gemeten onzuiverheid. Als een ander bereik van golflengten van belang, de detectoren moeten gewoon worden bewogen langs de Rowland cirkel, zolang de Bragg hoek is steeds tussen groter dan 45 ° te voorkomen divergerende stralen en minder dan 80 ° om interferentie tussen inkomende en voorkoming gereflecteerde fotonen. De framesnelheid van de detectoren kan ook worden veranderd om sneller of langzamer. De detector heeft geen fotonen tellen tijdens het uitlezen tijd, dus de fractie van gevangen fotonen neemt toe met langere frames, waardoor betere statistieken in de verkregen gegevens.

De spectrometer-reactor-interface moet lekdichtheid tot 10 ^-9 std cc /sec en in staat tot duurzame drukverschil van 1 atm naar beide kanten. Het venster beryllium is de ideale keuze voor deze interface vanwege de hoge sterkte en een goede X-ray transmissie coëfficiënt, dat is ongeveer 40% voor 3,1 keV X-stralen. Helium atmosfeer gehandhaafd binnen de behuizing van HIREXSR X-ray demping verlagen tot ongeveer ~ 1% van de binnenkomende straling. De constante pompen zorgt ervoor dat er geen lucht lekt in de behuizing en de besmetting van de lokale sfeer. Deze systemen moeten dubbel gecontroleerd worden op lekken te zorgen röntgenfoto's maken het naar de detectoren.

Een vacuümkamer zou het ideale behuizing voor de spectrometer. Echter, een dergelijke kamer is zeer duur en onpraktisch te handhaven voor een dergelijke grote spectrometer. Toekomstige verbeteringen zou zich kunnen richten op het gebruik van nieuwe technieken of recente innovaties naar een spectrometer-reactor interface en lokale sfeer die X-ray absorptie minimaliseert maken, of proberen om de huidige of soortgelijke ontwerpen goedkoper en mor makene levensvatbaar.

De techniek wordt beperkt door de temperatuurvereisten, zoals het plasma moet warm genoeg om de onzuiverheid plaats ioniseren, maar koel genoeg om voor recombinatie zijn. Bovendien worden H-achtige en He-achtige ionisatietoestanden voorkeur aangezien hun spectra zijn veel eenvoudiger en gemakkelijker te karakteriseren. Dit betekent dat het moeilijk is om gegevens uit de koeler rand van het plasma, en kan fysieke herconfiguratie van de machine vereisen om nuttige gegevens uit plasma aan de hoogste temperatuur van de tokamak. Bovendien is de techniek enigszins beperkt door de noodzaak van het uitvoeren van de kalibratie schoten vanwege de thermische uitzetting van de spectrometer kristal. Dit kan worden verbeterd in de toekomst betere temperatuurregeling op het kristal of andere nieuwe calibratietechnieken.

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