L'applicazione di X-ray Imaging cristallo Spettroscopia per l'uso come ad alta temperatura del plasma di diagnostica

Summary

spettri a raggi X offrono una ricchezza di informazioni sui plasmi ad alta temperatura. Questo manoscritto presenta il funzionamento di una risoluzione elevata lunghezza d'onda spazialmente l'imaging spettrometro a raggi X utilizzato per visualizzare ioni a idrogeno ed elio-come elementi di numero atomico medio in un plasma tokamak.

Abstract

spettri X fornisce una ricchezza di informazioni su plasmi ad alta temperatura; per esempio, temperatura elettronica e la densità può essere dedotta da rapporti di intensità di linea. Usando uno spettrometro Johann visualizzazione del plasma, è possibile costruire profili di parametri del plasma, quali la densità, la temperatura e la velocità con buona risoluzione spaziale e temporale. Tuttavia, l'analisi comparativa codice modellazione atomica degli spettri a raggi X ottenuto da plasmi di laboratorio ben diagnosticate-è importante per giustificare l'uso di tali spettri per determinare i parametri del plasma quando le altre diagnostiche indipendenti non sono disponibili. Questo manoscritto presenta il funzionamento della High Resolution raggi X di cristallo Imaging Spectrometer con Risoluzione spaziale (HIREXSR), una risoluzione elevata lunghezza d'onda spazialmente Imaging Spectrometer a raggi X utilizzato per visualizzare gli ioni idrogeno e di elio-like di elementi medio numero atomico in un tokamak plasma. Inoltre, questo manoscritto riguarda un sistema blow-off laser che può introdurre tali ionial plasma con tempi precisi per consentire studi perturbativi di trasporto nel plasma.

Introduction

spettri X fornisce una ricchezza di informazioni su plasmi ad alta temperatura; per esempio, temperatura elettronica e la densità può essere dedotta da rapporti di intensità di linea. Usando uno spettrometro Johann visualizzazione plasma fuori asse, è possibile costruire profili di parametri del plasma quali densità, temperatura e velocità all'interno del plasma con buona risoluzione spaziale ^1,2 ore. Questo manoscritto presenta il funzionamento della High Resolution raggi X di cristallo Imaging Spectrometer con Risoluzione spaziale (HIREXSR), una risoluzione elevata lunghezza d'onda spazialmente Imaging Spectrometer a raggi X utilizzato per visualizzare gli ioni idrogeno e di elio-like di elementi medio numero atomico in un tokamak plasma.

HIREXSR viene distribuito su Alcator C-Mod, un dispositivo a fusione Tokamak con un raggio maggiore e minore di 0,67 m e 0,22 m, rispettivamente. E 'tipicamente opera con plasma di deuterio durata di ~ 2 sec con densità medie tra 0,2-8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 </sup> ed elettroni centrale temperature comprese tra 1-9 keV ^3. In queste condizioni, medio elementi impurezze alto Z diventano altamente ionizzato e irradiare nella gamma dei raggi X, che HIREXSR misure. Benchmarking codice modellazione atomica degli spettri a raggi X ottenuto da plasmi di laboratorio ben diagnosticate-è importante per giustificare l'uso di tali spettri per determinare i parametri del plasma quando le altre diagnostiche indipendenti non sono disponibili ^4.

Ogni spettrometro è costruito per il suo utilizzo desiderato. Di conseguenza, una descrizione generale sulla macchina ei suoi concetti correlati è necessario comprendere appieno questi potenti strumenti ^5. Bragg riflessione si verifica quando un fotone riflessa strati adiacenti di un cristallo e percorre la distanza che è un multiplo della sua lunghezza d'onda. Figura 1 illustra questo fenomeno. Questa condizione è espressa dall'equazione nλ = 2 d sin θ _b, dove n è l'ordine del reflection, λ è la lunghezza d'onda del fotone, d è la separazione tra strati adiacenti del cristallo e θ _b è l'angolo di Bragg. Una corrispondenza uno a uno tra λ e θ _b indica che tutti i fotoni in un punto specifico del viaggio aereo rivelatore con la stessa lunghezza d'onda. In pratica, tuttavia, di assorbimento e di precisione limitazioni manifestano come una deviazione dall'angolo di Bragg. Ciò comporta solo una piccola gamma di angoli che producono significativa interferenza costruttiva, rappresentata da una curva dondolo ^6. La figura 2 è una curva di esempio per un cristallo di calcite.

HIREXSR è uno spettrometro Johann con un cristallo sferica piegato ^7. Prima di descrivere questo tipo di dispositivo, una discussione di uno spettrometro semplice, circolare è appropriato. Questo set up è costituito da un cristallo curvato che riflette fotoni al rispettivo Bragg angoli perWards una serie di rilevatori di conteggio di fotoni singoli pixel a raggi X. Il cristallo ed il rivelatore depongono tangente alla circonferenza Rowland, come mostrato in figura 3. Il diametro del cerchio Rowland è uguale al raggio di curvatura del cristallo. Tutti i raggi provenienti da un determinato punto della circonferenza in qualsiasi punto sul cristallo hanno lo stesso angolo di incidenza rispetto al cristallo stesso.

. Nel caso di HIREXSR, un permessi cristallo risoluzione spaziale sferica piegato in piano meridiano, illustrata nella figura 4 meridionale fuoco f _m è definito come: f _m = R _c sin θ _b, dove R _c è il raggio di curvatura il cristallo. Il sagittale fuoco F _s è definita come: F _s = – f _m / cos 2 θ _b. La risoluzione spaziale dello spettrometro Δ x è datadi: , Dove L _cp è la distanza tra il cristallo e il plasma, e d è l'altezza del cristallo. Poiché la spaziatura 2-dimensionale degli strati di cristallo è discreto, questo deve essere preso in considerazione quando si sceglie un materiale. Poiché le superfici del rivelatore sono piane, possono essere solo tangente al cerchio Rowland ad un certo punto, che dà quindi luogo ad errori dal raggi rilevati non sono atterraggio precisamente sui loro punti corrispondenti sul cerchio Rowland. Fisicamente, questo disallineamento manifesta come una "spalmatura" di fotoni di energia specifica sul rivelatore. Questo errore Johann è definito come , Dove L è la larghezza del cristallo. Se il rivelatore a pixel larghezza Ax _p è molto più grande l'errore Johann, allora la risoluzione spettrale è indipendente da esso. Se unre di dimensioni comparabili, quindi l'errore totale può essere approssimata da . Il potere risolutivo dello spettrometro cristallo è data da: , dove . Invece di posizionare la tangente rivelatore ad un punto sul cerchio Rowland tuttavia, in HIREXSR rivelatore sia leggermente inclinato sacrificare accuratezza per la gamma spettrale, come mostrato in Figura 5. Questa analisi errore è stato sperimentalmente verificato e conforme alle aspettative ^8.

Ci sono due parametri fondamentali da considerare nella progettazione di uno spettrometro di Johann. In primo luogo, la gamma di imaging determina lo spettrometro verrà osservando. Per studiare plasmi, è altamente desiderabile per visualizzare tutta la sua sezione trasversale per distinguere tra spostamenti linea causati da poloidale e toroila rotazione dal. HIREXSR è montato in modo da poter visualizzare tutto il plasma, ed è inclinato leggermente fuori asse ~8 ° (illustrata nella figura 6) per consentire misurazioni accurate toroidali. In secondo luogo, risoluzione temporale regola il tempo minimo tra gli eventi che lo spettrometro può registrare. Per Alcator C-Mod, valori desiderabili sono inferiori a 20 msec, più brevi rispetto ai tempi di energia e di confinamento delle particelle. I rivelatori di conteggio dei pixel di raggi X che HIREXSR usi grado di supportare una risoluzione temporale di 6 a 20 msec o superiore ^9. La tabella 1 riassume tutte le specifiche del modulo.

Per gli studi di plasma perturbativi, il sistema blow-off laser su Alcator C-Mod vengono usati per fornire più ablazioni con tempi precisi ^10. Il laser è un Nd: YAG (neodimio-drogato ittrio granato alluminio) operante a fino a 10 Hz. Il laser è incidente su un treno ottico telecomandato come mostrato nella figura 7 che si concentra e manziil fascio nella posizione desiderata sulla diapositiva. dimensioni spot del laser devono essere controllati in modo l'iniezione non interrompe il plasma. Una lente convergente distanza focale (1.146 mm) viene traslato lungo l'asse ottico tramite una fase lineare controllato a distanza per consentire formati di punto sottoposti ad intervento chirurgico per variano da ~0.5 a 7 mm. orientamento del fascio veloce è ottenuta tramite uno specchio piezoelettrico 2D. Questo sistema piezoelettrico è montato uno specchio RS232 guidato montaggio capace. Oltre al Nd: YAG, un diodo laser 633 nm viene utilizzata per indicare la posizione del fascio principale (infrarossi). Le travi sono fatte per essere collineari attraverso il primo specchio.

Protocol

1. La scelta di appropriate linee spettrali Scegli righe di emissione adeguati che determineranno la qualità dei dati ottenuti. Figura 8 mostra quali linee di emissione di gas nobili saranno rilevanti a valori diversi per la temperatura degli elettroni. Si noti che i rapporti di stato di ionizzazione e di linea sono determinati dalla concorrenza della ionizzazione, eccitazione collisionale, ricombinazione radiativa e ricombinazione dielettrico. Questi processi possono variare con la…

Representative Results

Un campione di dati rappresentativi dal rivelatore a pixel per un bin tempo per lo spettro argon He-come è mostrato in Figura 17. Le linee spettrali, piegate in una forma ellittica dal cristallo sferica, sono chiaramente visibili. Il rivelatore superiore ha un pannello rilevatore di rotta, e ci sono alcuni pixel morti sparsi per tutti i rivelatori. I dati del pannello rilevatore di rotta dovrebbe essere ignorato. Fette dal rivelatore che mostra spettri misurati e risult…

Discussion

I dati generati da questa tecnica possono essere utilizzati in un'ampia varietà di studi sperimentali. temperatura Ion e profili di velocità toroidali possono essere utilizzati in una vasta gamma di studi di trasporto, compresa intrinseca rotazione del plasma auto-generato ed effetti perturbativi non locali. Misurare spettri di impurità iniettato attraverso laser blow-off può anche fornire informazioni importanti sul trasporto di impurità nel plasma, come è stato fatto a Howard et al. 2011 ^10.</s…

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