Tillämpa X-ray Imaging Crystal spektroskopi för användning som en hög temperatur plasma Diagnostic
Summary
X-ray spektra ger en mängd information om höga plasma temperatur. Detta manuskript presenteras driften av en hög våglängdsupplösning spatialt imaging röntgenspektrometer används för att visa väte- och heliumliknande joner av medelatomnummer element i en tokamak plasma.
Abstract
Röntgenspektra ger en mängd information om höga plasma temperatur; till exempel elektrontemperatur och densitet kan härledas från linjeintensitetsförhållanden. Genom att använda en Johann spektrometer visning plasmat, är det möjligt att konstruera profiler av plasmaparametrar såsom densitet, temperatur och hastighet med god spatial och tidsupplösning. Men det är viktigt benchmarking atom kod modellering av röntgenspektra erhållna från väl diagnosen laboratorie plasma för att motivera användningen av sådana spektra för att bestämma plasmaparametrar när andra oberoende diagnostik är inte tillgängliga. Detta manuskript presenterar driften av högupplöst röntgen Crystal Imaging Spectrometer med rumslig upplösning (HIREXSR), en hög våglängdsupplösning spatialt imaging röntgenspektrometer används för att visa väte- och helium-liknande joner av medelatomnummer inslag i en tokamak plasma. Dessutom detta manuskript omfattar en laserutblåsningssystem som kan införa sådana jonertill plasmat med exakt timing för att möjliggöra störnings studier av transport i plasman.
Introduction
Röntgenspektra ger en mängd information om höga plasma temperatur; till exempel elektrontemperatur och densitet kan härledas från linjeintensitetsförhållanden. Genom att använda en Johann spektrometer visning plasman från axeln, är det möjligt att konstruera profiler av plasmaparametrar såsom densitet, temperatur och hastighet i plasma med god spatial och tidsupplösning 1,2. Detta manuskript presenterar driften av högupplöst röntgen Crystal Imaging Spectrometer med rumslig upplösning (HIREXSR), en hög våglängdsupplösning spatialt imaging röntgenspektrometer används för att visa väte- och helium-liknande joner av medelatomnummer inslag i en tokamak plasma.
HIREXSR utplaceras på Alcator C-Mod, en tokamak fusionsanordning med en större och mindre radie på 0,67 m och 0,22 m respektive. Den fungerar normalt med deuterium plasma varar ~ 2 sek med genomsnittliga densiteter mellan 0,2-8,0 x 10 20 m -3 </sup> och centrala elektrontemperaturer mellan 1-9 keV 3. Under dessa betingelser blir medelhög till hög Z föroreningselement kraftigt joniserat och utstrålar i röntgenområde, vilket HIREXSR åtgärder. Benchmarking atom kod modellering av röntgenspektra erhållna från väl diagnosen laboratorie plasma är viktig för att motivera användningen av sådana spektra för att bestämma plasmaparametrar när andra oberoende Diagnostik finns inte 4.
Varje spektrometer är byggd för önskad användning. Följaktligen är det nödvändigt med en allmän beskrivning om maskinen och dess relaterade begrepp att fullt ut förstå dessa kraftfulla verktyg 5. Bragg-reflektion sker när en foton reflekteras från intilliggande skikt av en kristall och färdas ett avstånd som är en multipel av dess våglängd. Figur 1 visar detta fenomen. Detta villkor uttrycks genom ekvationen nX = 2 d sin θ b, där n är ordningen för reböjning, är λ våglängden för fotonen, d är avståndet mellan intilliggande skikt av kristallen och θ b är Bragg-vinkeln. En 1-1 korrespondens mellan λ och θ b indikerar att alla fotoner vid en viss punkt i detektorplanet resa med samma våglängd. I praktiken har dock, absorption och precisions begränsningar uppenbart som en avvikelse från Bragg-vinkeln. Detta resulterar i endast ett litet antal vinklar som producerar betydande konstruktiv interferens, som representeras av en gungande kurva 6. Figur 2 är ett exempel kurva för en kalcit kristall.
HIREXSR är en Johann spektrometer med en sfäriskt böjd kristall 7. Innan vi beskriver denna typ av anordning är lämplig en diskussion av ett enklare, cirkulärt spektrometer. Denna uppsättning upp består av en böjd kristall som reflekterar inkommande fotoner vid deras respektive Bragg vinkelWards en rad enskilda röntgendetektorer fotonräknande pixel. Kristallen och detektorn låg tangent till Rowland cirkel, som det visas i figur 3. Diametern på Rowland cirkel är lika med krökningsradien hos kristallen. Alla strålar från en given punkt på omkretsen till någon punkt på kristallen har samma infallsvinkel med avseende på själva kristallen.
. I fallet med HIREXSR, en sfäriskt böjd kristalltillstånd spatial upplösning i det meridionala planet, som visas i fig 4 Den meridionala fokus f m är definierat som: f m = Rc synd θ b, där R ^ är krökningsradien av kristallen. Sagittala fokus fs definieras som: f s = – f m / cos 2 θ b. Den rumsliga upplösningen i spektrometerns Δ x gesav: 
, Där L cp är avståndet mellan kristallen och plasman, och d är höjden av kristallen. Eftersom två-dimensionella avståndet mellan kristallskikten är diskreta, måste detta tas i beaktande när man väljer ett material. Eftersom detektorytor är plana, kan de bara vara tangent till Rowland cirkel vid ett tillfälle, vilket följaktligen ger upphov till fel eftersom de detekterade strålar inte landar just på motsvarande punkter på Rowland cirkel. Fysiskt, manifesterar denna förskjutning som en "utsmetning" av fotoner av specifik energi på detektorn. Detta Johann fel definieras som 
, Där L är bredden av kristallen. Om detektorn pixelbredden Ax p är mycket större än den Johann felet, då den spektrala upplösningen är oberoende av den. Om de enre av jämförbar storlek, då det totala felet kan approximeras med 
. Upplösningsförmågan för kristallen spektrometer ges av: 
, var 
. Istället för att placera detektor tangent till en punkt på den Rowland cirkel men i HIREXSR detektorn är vinklad något att offra noggrannhet för spektralområdet, såsom visas i figur 5. Detta fel analys har experimentellt verifierats och överensstämmer med förväntningar 8.
Det finns två viktiga parametrar att ta hänsyn till när man utformar en Johann spektrometer. Först bestämmer bildintervall vad spektrometern kommer att observera. För att studera plasmor, är det mycket önskvärt att visa dess hela tvärsnittet för att skilja mellan linjeskift som orsakas av poloidala och toroidal rotation. HIREXSR är monterad så att den kan se hela plasma och lutas något off-axeln genom ~ 8 ° (illustrerade i figur 6) för att möjliggöra noggranna toroid mätningar. För det andra reglerar minimitiden mellan händelser som spektrometern kan registrera tidsupplösning. För Alcator C-Mod, önskvärda värden under 20 msek, kortare än energi- och partikelinneslutnings gånger. Röntgen räknepixeln detektorer som HIREXSR användningsområden kan stödja en tidsupplösning på 6 till 20 msek eller större 9. Tabell 1 sammanfattar alla modul specifikationer.
För störningsplasma studier, är lasern blåsa-off system på Alcator C-Mod används för att leverera flera ablationer med exakt timing 10. Lasern är en Nd: YAG (neodymium-dopad yttrium aluminium granat) som arbetar vid upp till 10 Hz. Lasern infaller på en fjärrstyrd optisk tåg, såsom visas i figur 7, som fokuserar och stutarstrålen till önskad plats på objektglaset. Punktstorlekar hos lasern måste kontrolleras så att injektionen inte stör den plasma. En lång brännvidd (1146 mm) konvergerande linsen translateras längs den optiska axeln via en fjärrstyrd linjärt steg för att tillåta tyreoidektomerade punktstorlekar för att variera från -0,5 till 7 mm. Snabb strålstyrning uppnås via en 2D piezoelektrisk spegel. Denna piezoelektriska systemet är monterad på en RS232 driven spegel montera kapabel. Förutom Nd: YAG-laser, är en 633 nm diodlaser används för att ange läget för den huvudsakliga (infraröd) strålen. Balkarna är gjorda för att kolinjär genom den första spegeln.
Protocol
Representative Results
Discussion
De data som genereras av denna teknik kan användas i en mängd olika experimentella studier. Ion temperatur och toroidal hastighetsprofiler kan användas i ett brett spektrum av transport studier, inklusive inneboende själv alstrade plasmat rotation och icke-lokala störningseffekter. Mäta spektra av injicerade föroreningar genom laserutblåsnings kan också ge viktig information om transport av föroreningar i plasmat, som gjordes i Howard et al. 2011 10. Vid denna tid, inga andra plasma diagnos…
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).
