La aplicación de rayos X de imagen Crystal Espectroscopía para su uso como un plasma de alta temperatura de diagnóstico

Summary

Los espectros de rayos X proporcionan una gran cantidad de información sobre los plasmas de alta temperatura. Este manuscrito presenta el funcionamiento de una longitud de onda de la formación de imágenes de alta resolución espacial espectrómetro de rayos X se utiliza para ver los iones por hidrógeno y helio-como de los elementos de número atómico medio de un plasma tokamak.

Abstract

Los espectros de rayos X proporcionan una gran cantidad de información sobre los plasmas de alta temperatura; por ejemplo, la temperatura y la densidad de electrones se puede deducir de las relaciones de intensidad de línea. Mediante el uso de un espectrómetro de Johann ver el plasma, es posible construir perfiles de los parámetros del plasma tales como la densidad, la temperatura, y la velocidad con buena resolución espacial y el tiempo. Sin embargo, la evaluación comparativa de modelado código atómica de los espectros de rayos X obtenido a partir de plasmas de laboratorio bien diagnosticados-es importante para justificar el uso de tales espectros para determinar los parámetros del plasma cuando otros diagnósticos independientes no están disponibles. Este manuscrito presenta el funcionamiento del Espectrómetro de Imágenes de cristal de rayos X de alta resolución con una resolución espacial (HIREXSR), una longitud de onda de alta resolución obtención de imágenes espacialmente espectrómetro de rayos X se utiliza para ver los iones de hidrógeno y helio-como de los elementos de número atómico medio de un tokamak plasma. Además, este manuscrito cubre un sistema de expulsión láser que puede introducir dichos ionesal plasma en el momento preciso para permitir estudios perturbativos de transporte en el plasma.

Introduction

Los espectros de rayos X proporcionan una gran cantidad de información sobre los plasmas de alta temperatura; por ejemplo, la temperatura y la densidad de electrones se puede deducir de las relaciones de intensidad de línea. Mediante el uso de un espectrómetro de Johann ver el plasma fuera del eje, es posible construir perfiles de los parámetros del plasma tales como la densidad, la temperatura, y la velocidad en el interior del plasma con buena resolución espacial ^{de 1,2} y el tiempo. Este manuscrito presenta el funcionamiento del Espectrómetro de Imágenes de cristal de rayos X de alta resolución con una resolución espacial (HIREXSR), una longitud de onda de alta resolución obtención de imágenes espacialmente espectrómetro de rayos X se utiliza para ver los iones de hidrógeno y helio-como de los elementos de número atómico medio de un tokamak plasma.

HIREXSR se implementa en Alcator C-Mod, un dispositivo de fusión tokamak con un radio mayor y menor de 0,67 m y 0,22 m respectivamente. Por lo general opera con plasmas de deuterio duradera ~ 2 segundos con densidades medias entre 0,2 a 8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 </sup> y electrónica central de temperaturas entre 1-9 keV ^3. En estas condiciones, el soporte a elementos de impurezas de alto Z vuelto altamente ionizado y irradian en el rango de rayos X, que HIREXSR medidas. Evaluación comparativa de modelado código atómica de los espectros de rayos X obtenido a partir de plasmas de laboratorio bien diagnosticados-es importante para justificar el uso de tales espectros para determinar los parámetros del plasma cuando otros diagnósticos independientes no están disponibles ^4.

Cada espectrómetro está construido para su uso deseado. De acuerdo con ello, una descripción general sobre la máquina y sus conceptos relacionados es necesario comprender plenamente estas poderosas herramientas ^5. Bragg reflexión se produce cuando un fotón se refleja en las capas adyacentes de un cristal y se desplaza una distancia que es un múltiplo de su longitud de onda. La figura 1 representa este fenómeno. Esta condición se expresa por la ecuación nλ = 2 d pecado θ _b, donde n es el orden de rereflexión, λ es la longitud de onda del fotón, d es la separación entre capas adyacentes del cristal y θ _b es el ángulo de Bragg. Una correspondencia uno a uno entre λ y θ _b indica que todos los fotones en un punto concreto del recorrido plano del detector con la misma longitud de onda. En la práctica, sin embargo, de absorción y de precisión limitaciones se manifiestan como una desviación del ángulo de Bragg. Esto da como resultado sólo una pequeña gama de ángulos que producen interferencia constructiva significativa, representado por una curva de oscilación ^6. La figura 2 es una curva de ejemplo para un cristal de calcita.

HIREXSR es un espectrómetro de Johann con un cristal esférica curvada ^7. Antes de describir este tipo de dispositivo, una discusión de un espectrómetro simple, circular es apropiado. Esta puesta en marcha consiste en un cristal curvada que refleja los fotones entrantes en sus respectivos ángulos de Bragg deWards una matriz de detectores de recuento de fotones de rayos X de píxeles individuales. El cristal y el detector ponen tangente al círculo Rowland, como se muestra en la Figura 3. El diámetro del círculo Rowland es igual al radio de curvatura del cristal. Todos los rayos de un punto dado en la circunferencia a cualquier punto en el cristal tienen el mismo ángulo de incidencia con respecto al propio cristal.

. En el caso de HIREXSR, una resolución espacial permisos de cristal esférica curvada en el plano meridional, que se ilustra en la Figura 4 se define La meridional foco f _m como: _m f = R _c pecado θ _b, donde R _c es el radio de curvatura de el cristal. El enfoque sagital f _s se define como: _Fs = – f _m / cos 2 θ _b. Se da la resolución espacial del espectrómetro Δ xpor: , Donde L _cp es la distancia entre el cristal y el plasma, y d es la altura del cristal. Debido a que el espaciamiento de 2 dimensiones de las capas de cristal es discreta, esto debe tenerse en cuenta al elegir un material. Puesto que las superficies son planas detector, que sólo pueden ser tangente al círculo de Rowland en un punto, que por lo tanto da lugar a un error ya que los rayos detectados no son de aterrizaje precisamente en sus puntos correspondientes en el círculo de Rowland. Físicamente, esto se manifiesta como una falta de alineación "manchas" de fotones de energía específica en el detector. Este error se define como Johann , Donde l es la anchura del cristal. Si el detector de pixel? X anchura _p es mucho mayor que el error de Johann, a continuación, la resolución espectral es independiente de ella. Si unare de tamaño comparable, a continuación, el error total se puede aproximar por . El poder de resolución del espectrómetro de cristal está dada por: , dónde . En lugar de colocar la tangente detector a un punto en el círculo Rowland sin embargo, en HIREXSR el detector está en ángulo ligeramente a sacrificar la precisión para el rango espectral, como se muestra en la Figura 5. Este análisis de error se ha verificado experimentalmente y se ajusta a la expectativa ^8.

Hay dos parámetros fundamentales a tener en cuenta al diseñar un espectrómetro de Johann. En primer lugar, la gama de imagen determina lo que el espectrómetro estará observando. Para el estudio de los plasmas, es altamente deseable para ver toda su sección transversal con el fin de distinguir entre los cambios de línea causados ​​por poloidal y Toroila rotación dal. HIREXSR está montado de manera que pueda ver todo el plasma, y se inclina ligeramente fuera del eje por ~ 8 ° (ilustrados en la figura 6) para permitir mediciones precisas toroidales. En segundo lugar, el tiempo de resolución regula el tiempo mínimo entre eventos que el espectrómetro puede grabar. Para Alcator C-Mod, valores deseables son inferiores a 20 ms, más cortos que los tiempos de confinamiento de la energía y de partículas. Los detectores de recuento de píxeles de rayos X que HIREXSR usos pueden apoyar una resolución de tiempo de 6 a 20 ms o mayor ^9. La Tabla 1 resume todas las especificaciones del módulo.

Para los estudios de plasma perturbativos, el sistema de soplado láser en Alcator C-Mod son utilizados para entregar varias ablaciones en el momento preciso ^10. El láser es un láser de Nd: YAG (neodimio dopado con itrio aluminio granate) que operan a velocidades de hasta 10 Hz. El láser es incidente en un tren óptico de control remoto, como se muestra en la Figura 7 que se centra y novillosel haz a la ubicación deseada en la diapositiva. tamaños de punto del láser deben ser controladas de modo que la inyección no se perturbe el plasma. Una lente convergente de distancia focal larga (1146 mm) se traslada a lo largo del eje óptico a través de una etapa lineal controlado a distancia para permitir tamaños de punto ablación a varían de ~ 0,5 a 7 mm. orientación de haz rápida se logra a través de un espejo piezoeléctrico 2D. Este sistema piezoeléctrico está montado en un espejo RS232 impulsado montaje capaz. Además del láser de Nd: YAG, un láser de diodo 633 nm se utiliza para indicar la ubicación de la viga principal (infrarrojo). Las vigas están hechas para ser colineal a través de la primera espejo.

Protocol

1. La elección de las líneas espectrales adecuadas Elija las líneas de emisión correspondientes que determinarán la calidad de los datos obtenidos. La Figura 8 muestra qué líneas de emisión de gases nobles serán relevantes en diferentes valores para la temperatura de los electrones. Tenga en cuenta que las relaciones de estado de ionización y de la línea se determinan por la competencia de ionización, la excitación colisional, la recombinación radiativa y recombinación…

Representative Results

Una muestra datos representativos del detector de píxel para una bin tiempo para el espectro de argón Él-como se muestra en la Figura 17. Las líneas espectrales, dobladas en una forma elíptica por el cristal esférico, son claramente visibles. El detector superior tiene un panel detector roto, y hay algunos píxeles muertos esparcidos por todos los detectores. Los datos del panel de detector roto debe ser ignorado. Las rebanadas del detector que muestra los espectro…

Discussion

Los datos generados por esta técnica se pueden utilizar en una amplia variedad de estudios experimentales. temperatura Ion y perfiles de velocidad toroidal se pueden utilizar en una amplia gama de estudios de transporte, incluyendo intrínseca rotación plasma auto-generado y efectos perturbativos no locales. La medición de los espectros de impurezas inyectados a través de láser de expulsión también puede proporcionar información importante sobre el transporte de impurezas en el plasma, como se hizo en Howard <em…

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