运用X射线成像光谱水晶的使用为高温等离子体诊断
Summary
X射线谱提供了丰富的信息高温等离子体。这份手稿呈现高波长分辨率成像空间用于查看在托卡马克等离子体中的原子数量的元素氢和氦样离子X射线光谱仪的操作。
Abstract
X射线谱提供了丰富的高温等离子体的信息;例如电子温度和密度可以从线的强度比来推断。通过使用约翰分光计观看等离子体，有可能构造的等离子体参数，如密度，温度和速度与良好的空间和时间分辨率的配置文件。然而，从基准以及诊断的实验室获得的等离子体的X射线光谱的原子代码建模是很重要的理由使用这种光谱测定血浆参数时，其他独立的诊断不可用。这份手稿展示了高分辨率X射线晶体成像光谱仪与空间分辨率（HIREXSR），高波长分辨率成像空间用于查看中原子序数元素的氢和氦样离子托卡马克X射线光谱仪的操作等离子体。此外，该手稿涵盖了激光吹气系统，可以推出这样的离子用精确定时的等离子体，以允许等离子体中运输的微扰研究。
Introduction
X射线谱提供了丰富的高温等离子体的信息;例如电子温度和密度可以从线的强度比来推断。通过使用约翰分光计观看等离子体离轴，有可能构造的等离子体参数，如密度，温度和速度与良好的空间和时间分辨率1,2-等离子体内部型材。这份手稿展示了高分辨率X射线晶体成像光谱仪与空间分辨率（HIREXSR），高波长分辨率成像空间用于查看中原子序数元素的氢和氦样离子托卡马克X射线光谱仪的操作等离子体。
HIREXSR部署在Alcator C-国防部，分别为0.67米和0.22米的主要和次要半径的托卡马克核聚变装置。它通常用氘等离子体持久0.2-8.0之间的10×20 M〜2秒，平均密度运行-3 </su1-9千电子伏3之间p>和中心电子温度。在这些条件下，介质给Z高杂质元素变得高度离子化，并在X射线范围内，这HIREXSR措施辐射。基准从良好的诊断实验室等离子体得到的X射线谱的原子代码建模是很重要的证明使用这样的光谱，以确定血浆参数时等独立的诊断不可4。
每个光谱仪是专为其所需的用途。因此，有关机器及其相关概念的一般描述是必要的充分理解这些强大的工具5。当光子反射离开晶体的相邻层，并行驶的距离，该距离是其波长的倍数发生布拉格反射。 图1描述了这一现象。这个条件由等式为nλ= 2 天罪θb，其中n是重的顺序表示屈曲，λ是光子的波长，d是晶体和θB的相邻层之间的间隔的布拉格角。一个一至λ和θB之间一一对应表明在用相同的波长的检测器平面行进的特定点的所有光子。在实践中，然而，吸收和精度的限制表现为从布拉格角的偏离。这导致只有一个很小的范围内产生显著建设性干扰，由一个摇摆曲线6表示角度的; 图2为方解石晶体的一例的曲线。
HIREXSR是约翰光谱仪具有球面弯晶7。描述这种装置的前，更简单的，圆形分光计的讨论是适当的。这套了由弯晶反映入射光子在各自的布拉格角至病房单X射线光子计数像素探测器阵列。晶体和检测器铺相切的罗兰圆，如显示图3。该罗兰圆的直径等于晶体的曲率半径。所有从在圆周上，以在晶体的任何点的给定点射线具有相对于晶体本身相同的入射角。
。在图4中示出的HIREXSR，在子午平面上的球面弯曲晶体许可证的空间分辨率的情况下，子午焦点f m被定义为：F M = R C罪θb，其中R c 为曲率半径晶体。矢状焦点f s被定义为：F S = – F M / COS 2θB。分光计Δx的空间分辨率中给出通过： 
，其中L p是晶体和等离子体之间的距离，以及d是晶体的高度。由于晶体层的2维间隔是离散的，这必须在选择材料时必须考虑。由于检测器表面是平面的，它们只能是相切的罗兰圆在一个点，这因此产生了错误，因为所检测的光线不上的罗兰圆的对应点精确地着陆。物理上，此不对中表现为一个检测器上的特定能量的光子的“拖尾”。此约翰误差定义为
，其中l是晶体的宽度。如果检测器像素宽度ΔXp比约翰误差大得多，那么光谱分辨率是独立的它。如果他们一重可比大小的，则总误差可通过近似
。晶体分光计的分辨能力为： 
，其中
。代替将所述检测器相切的点上的罗兰圆然而，在HIREXSR的检测器被稍微倾斜，以牺牲精度的光谱范围内， 如图5所示。该错误分析已经实验验证，符合期望8。
有设计约翰光谱仪时，需要考虑两个关键参数。首先，在成像范围决定什么分光计将被观察。为了研究等离子体，这是非常可取的，以查看其整个横截面，以便引起极向和toroi线转移来区分DAL转动。 HIREXSR被安装成使得它可以查看整个等离子体，并通过~8°（ 图6中示出）是离轴稍微倾斜，以允许精确环形测量。第二，时间分辨率调节，该光谱仪可以记录事件之间的最小时间。对于Alcator C-国防部，理想值低于20毫秒，比能量和粒子约束时间较短。该HIREXSR用途可以支持的6时间分辨率为20msec或更大的X射线计数像素探测器9， 表1总结了所有模块规范。
对于等离子微扰研究，激光吹除系统上Alcator C-国防部用于精确计时10提供多种消融。激光是钕：YAG（掺钕钇铝石榴石）以高达10赫兹操作。激光入射到远程控制光学列车如图7，重点和阉牛光束到幻灯片上的所需位置。激光的光斑尺寸需要被控制，以便在注射不会中断等离子体。长焦距（1146毫米）会聚透镜经由远程控制的线性阶段沿着光轴被翻译，以允许消融光斑尺寸，以改变从〜0.5至7毫米。快速光束转向经由2D压电镜来实现的。该压电系统被安装到一个RS232驱动镜安装能干。除了Nd：YAG激光器，一个633nm的二极管激光器，用于指示主（IR）光束的位置。光束是由通过第一反射镜被共线。
Protocol
Representative Results
Discussion
通过这种技术产生的数据可以在多种实验性研究中使用。离子温度和环形速度分布可以在宽范围内运输的研究，包括内在自生等离子体旋转和非本地微扰效应的使用。通过激光吹离测量的注入的杂质的光谱还可以提供有关的杂质的等离子体中的传输的重要信息，如在Howard 等人。2011年10月进行。此时，从等离子体芯1没有其它等离子体的诊断可以提供时间和空间分辨的离子分?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Matt Reinke and the Alcator C-Mod team for designing, building, and testing HIREXSR. This work was supported by DOE Contract Nos. DE-FC02-99ER54512 and DE-AC02-76CH03073.
Materials
| PILATUS 100k Detector System | DECTRIS | 100k | Superseded by newer PILATUS3 detectors |
| Bragg Crystals | Kurchaov Institute | Custom Part | |
| CaF2 Slides | LeBow | Custom Part | |
| High Purity Argon | Airgas | AR HP300 | Any high purity argon should work |
| Be window | Brush Wellman Electrofusion Products / Motion Hightech | Custom part |
Referências
- Reinke, M. L., et al. X-ray imaging crystal spectroscopy for use in plasma transport research. Rev. Sci. Instrum. 83 (11), 113504 (2012).
- Hill, K. W., et al. Development of a High Resolution X-Ray Imaging Crystal Spectrometer for Measurement of Ion-Temperature and Rotation-Velocity Profiles in Fusion Energy Research Plasmas. Plasma Fusion Res. 2, 1067-1067 (2007).
- Greenwald, M., et al. 20 years of research on the Alcator C-Mod tokamak. Phys. Plasmas. 21 (11), 110501 (2014).
- Rice, J. E., et al. X-ray observations of medium Z H- and He-like ions with satellites from C-Mod tokamak plasmas. J. Phys. B. 48 (14), 144013 (2015).
- Ince-Cushman, A. Rotation studies in fusion plasmas via imaging X-ray crystal spectroscopy. Rev. Sci. Instrum. 79, (2008).
- Zachariasen, W. H. . Theory of X-Ray Diffraction in Crystals. , (2004).
- Johann, H. H. Die Erzeugung lichtstarker Röntgenspektren mit Hilfe von Konkavkristallen. Zeitschrift für Physik. 69 (3-4), 185-206 (1931).
- Wang, E., et al. Calculation of the Johann error for spherically bent x-ray imaging crystal spectrometers. Rev. Sci. Instrum. 81 (10), (2010).
- Eikenberry, E., et al. PILATUS: a two-dimensional X-ray detector for macromolecular crystallography. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 501 (1), 260-266 (2003).
- Howard, N. T., Greenwald, M., Rice, J. E. Characterization of impurity confinement on Alcator C-Mod using a multi-pulse laser blow-off system. Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 1-6 (2011).
- Rice, J. E., et al. Non-local heat transport, rotation reversals and up/down impurity density asymmetries in Alcator C-Mod ohmic L-mode plasmas. Nucl. Fusion. 53, 033004 (2013).
- Reinke, M. L., Podpaly, Y., Gao, C., Science, P. . Operation and Validation of The HIREXSR Analysis COde MIT-Plasma Science and Fusion Center Alcator C-Mod. , (2013).
- Rosen, A. S., Reinke, M. L., Rice, J. E., Hubbard, A. E., Hughes, J. W. Validation of x-ray line ratios for electron temperature determination in tokamak plasmas. J. Phys. B. 47 (10), 105701 (2014).
- Delgado-Aparicio, L. F., et al. In-situ wavelength calibration and temperature control for the C-Mod high-resolution X-ray crystal imaging spectrometer. Bull. Am. Phys. Soc. 55, (2010).
