החלת רנטגן הדמיה קריסטל ספקטרוסקופיה לשימוש כמו טמפרטורה גבוהה אבחון פלזמה
Summary
ספקטרום ה- X מספק שפע של מידע על פלזמות בטמפרטורה גבוהות. כתב יד זה מציג את הפעולה של החלטה גל גבוהה הדמיה מרחבית ספקטרומטר קרני רנטגן המשמש להצגה מימן והליום דמוי יונים של אלמנטים מספר אטומי בינוני פלזמה tokamak.
Abstract
ספקטרום ה- X מספק שפע של מידע על פלזמות בטמפרטורה גבוהות; עבור טמפרטורת צפיפות אלקטרונים למשל ניתן להסיק יחסי עוצמת קו. באמצעות ספקטרומטר יוהן הצגת פלזמה, אפשר לבנות פרופילים של פרמטרים פלזמה כגון צפיפות, טמפרטורה, מהירות עם רזולוציה מרחבית זמן טוב. עם זאת, בהשוואות דוגמנות קוד אטומית של ספקטרום ה- X המתקבל פלזמות מעבדה היטב מאובחנות חשובה כדי להצדיק את השימוש של ספקטרום כאלה כדי לקבוע פרמטרי פלזמה כאשר אבחון עצמאי אחר אינו זמין. כתב יד זה מציג את הפעולה של ספקטרומטר ברזולוציה גבוהה רנטגן קריסטל הדמיה עם רזולוציה מרחבית (HIREXSR), רזולוציה גבוהה גל הדמיה מרחבית ספקטרומטר קרני רנטגן המשמש להצגה מימן והליום דמוי יונים של אלמנטים מספר אטומי בינוני בתוך tokamak פְּלַסמָה. בנוסף, כתב היד הזה מכסה מערכת מכה פעמי לייזר שיכול להציג יונים כאלהאל הפלזמה עם תזמון מדויק כדי לאפשר מחקרי perturbative תחבורה בפלזמה.
Introduction
ספקטרום ה- X מספק שפע של מידע על פלזמות בטמפרטורה גבוהות; עבור טמפרטורת צפיפות אלקטרונים למשל ניתן להסיק יחסי עוצמת קו. באמצעות ספקטרומטר יוהן הצגת הפלזמה מחוץ לציר, אפשר לבנות פרופילים של פרמטרי פלזמה כגון צפיפות, טמפרטורה, מהירות בתוך הפלזמה עם 1,2 ברזולוציה מרחבית וזמן. כתב יד זה מציג את הפעולה של ספקטרומטר ברזולוציה גבוהה רנטגן קריסטל הדמיה עם רזולוציה מרחבית (HIREXSR), רזולוציה גבוהה גל הדמיה מרחבית ספקטרומטר קרני רנטגן המשמש להצגה מימן והליום דמוי יונים של אלמנטים מספר אטומי בינוני בתוך tokamak פְּלַסמָה.
HIREXSR נפרסה Alcator C-Mod, מכשיר היתוך tokamak עם רדיוס ראשי ומשניות של 0.67 מ 'ו 0.22 מ' בהתאמה. זה בדרך כלל פועל עם פלזמות דאוטריום קיימא ~ 2 שניות עם צפיפויות ממוצעות בין 0.2-8.0 x 10 20 מ -3 </sup> אלקטרונים מרכזיים בטמפרטורות שבין 1-9 keV 3. בתנאים אלה, בינוני עד אלמנטים טומאה Z גבוהה הופכים מיונן מאוד להקרין בטווח רנטגן, אשר HIREXSR אמצעים. Benchmarking דוגמנות קוד אטומי של ספקטרום ה- X המתקבל פלזמות מעבדה היטב מאובחנות חשוב כדי להצדיק את השימוש של ספקטרום כאלה כדי לקבוע פרמטרי פלזמה כאשר אבחון עצמאי אחר אינו זמין 4.
כל ספקטרומטר בנוי לשימוש הרצוי שלה. לפיכך, תיאור כללי על המכונית והמושגים הקשורים שלה עלינו לנסות ולהבין אלה כלים רבים עצמה מלאה 5. בראג השתקפות מתרחשת כאשר פוטון משקף את שכבות סמוכות של גביש ונוסע מרחק שהוא מכפלה של אורך הגל שלו. איור 1 מתאר את התופעה הזאת. מצב זה בא לידי ביטוי על ידי המשוואה nλ = 2 ד ב חטא θ, כאשר n הוא סדר מחדשכִּפּוּף, λ הוא אורך הגל של הפוטון, ד הוא הפרדה בין שכבות סמוכות של b קריסטל θ היא הזווית בראג. אחד כדי התכתבות אחד בין ב λ ו θ מציין שכל הפוטונים בנקודה מסוימת של נסיעות מטוס גלאי עם אותו הגל. בפועל, עם זאת, מגבלות קליטה ודיוק מניפסט כסטייה מהזווית בראג. התוצאה היא מגוון מצומצם של זוויות המייצרים התאבכות בונה משמעותית, מיוצגת על ידי עקומת נדנדת 6. איור 2 הם עקומים לדוגמא עבור גביש קלציט.
HIREXSR הוא ספקטרומטר יוהן עם גביש כפוף כדורי 7. לפני שתתאר סוג זה של מכשיר, דיון של ספקטרומטר פשוטה, חוזר מתאים. עד קבוצה זו מורכבת של גביש כפוף המשקף פוטונים נכנסים בראג שלהם זוויותמחלקות מערך של גלאי פיקסל ספירת יחיד רנטגן פוטון. הגביש ואת הגלאי שכבו משיק למעגל רולנד, כמובא באיור 3. הקוטר של מעגל רולנד שווה רדיוס העקמומיות של הגביש. כל קרני מנקודה מסוימת על היקף לכל נקודה על קריסטל יש את אותה זווית האירוע ביחס הגביש עצמו.
. במקרה של HIREXSR, ברזולוציה מרחבית היתרי קריסטל כפוף כדורית במישור מרידונל, באיור 4 מ 'ו מוקד מרידונל מוגדרת: f מ = b θ חטא ג R, כאשר c R הוא רדיוס העקמומיות של הגביש. ה- S sagittal מוקד f מוגדרת: s = f – f m / cos 2 ב θ. הרזולוציה המרחבית של x Δ ספקטרומטר ניתנתעל ידי: 
Cp, כאשר L הוא המרחק בין קריסטל הפלזמה, ו- D הוא הגובה של הגביש. בגלל מרווח 2-הממדים של שכבות קריסטל הוא תלוי קשר, זה חייב להילקח בחשבון בעת בחירת חומר. מאז משטחי הגלאים הם מישוריים, הם יכולים להיות משיקים רק למעגל רולנד בשלב מסוים, אשר כתוצאה מכך מוליד שגיאת הכיוון שהקרני המזוהה אינו נוחתים דווקא על הנקודות המקבילות שלהם על עיגול רולנד. מבחינה פיזית, חוסר תיאום זה בא לידי בתור "מריחות" של פוטונים של אנרגיה ספציפית על הגלאי. שגיאת יוהן זה מוגדר 
שם, l הוא הרוחב של הגביש. אם p δx רוחב פיקסל הגלאי הוא הרבה יותר גדול משגיאת יוהן, אזי הרזולוציה ספקטרלית אינה תלויה בו. אם להםמחדש של גודל דומה, אז השגיאה הכולל יכול להיות מקורב על ידי 
. את כושר ההפרדה של ספקטרומטר הקריסטל ניתן על ידי: 
, איפה 
. במקום צבת משיק הגלאי לנקודה על מעגל רולנד עם זאת, ב HIREXSR הגלאי בזווית מעט להקריב דיוק בטווח ספקטרום, כפי שמוצג באיור 5. ניתוח שגיאה זו אומת באופן ניסיוני ותואם ציפייה 8.
ישנם שני פרמטרים מכריעים לשקול בעת תכנון ספקטרומטר יוהן. ראשית, בטווח ההדמיה קובע את אופן הפעולה ספקטרומטר יהיה התבוננות. ללימוד פלזמות, רצוי מאוד כדי להציג חתך כולו שלה כדי להבדיל בין משמרות קו שנגרם poloidal ו toroiסיבוב דאל. HIREXSR מותקן כך שהוא יכול להציג את הפלזמה כולו, והוא מוטה מעט מחוץ ציר ידי ~ 8 ° (באיור 6) כדי לאפשר מדידות טבעתיות מדויקות. שנית, ברזולוציה זמן מסדיר את הזמן המינימלי בין האירועים ספקטרומטר יכול להקליט. לקבלת Alcator C-Mod, ערכים רצויים הם מתחת ל -20 מילים-שניות, קצרות יותר מאשר פעמי האנרגיה וכליאת חלקיקים. הגלאים פיקסל ספירת רנטגן כי השימושים HIREXSR יכול לתמוך ברזולוציה זמן של 6 עד 20 msec או גדול 9. טבלה 1 מסכמת את כל המפרט מודול.
עבור מחקרי פלזמה perturbative, ליזר המערכת לפוצץ פעמי על Alcator C-Mod נמצא בשימוש בכדי לשלוח כריתה מרובה עם תזמון מדויק 10. הלייזר הוא Nd: YAG (גארנט אלומיניום איטריום מסוממים ניאודימיום) הפועלים במהירות של עד 10 הרץ. הליזר הוא אירוע ברכבת אופטית בשליטה מרחוק כפי שמוצג באיור 7 המתמקד ו פריםהקורה למיקום הרצוי בשקופית. בגדלים ספוט של הלייזר צריך להיות נשלט כך הזריקה לא לשבש את הפלזמה. אורך מוקד ארוך (1,146 מ"מ) עדשת מרכזת מתורגמת לאורך הציר האופטי דרך שלב ליניארי נשלט מרחוק על מנת לאפשר גדלים במקום ablated להשתנות מן ~0.5 עד 7 מ"מ. היגוי קורה מהיר מושג באמצעות מראה פיזואלקטריים 2D. מערכת פיזואלקטריים זה הוא רכוב על מראה מונע RS232 הר מסוגל. בנוסף Nd: YAG לייזר, לייזר דיודה 633 ננומטר משמש כדי לציין את המיקום של הקורה המרכזית (אינפרא אדום). הקורות עשויים להיות קוליניאריות דרך המראה הראשונה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הנתונים שנוצרו על ידי טכניקה זו ניתן להשתמש במגוון רחב של מחקרים ניסיוניים. טמפרטורת יון ופרופילים מהירים טבעתיים ניתן להשתמש במגוון רחב של מחקרי תחבורה, כוללים סיבוב פלזמה עצמי פנימי ואפקטי perturbative שאינם מקומיים. מדידת ספקטרום של זיהומים מוזרקים דרך מכה פעמית ליזר ?…
Disclosures
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 |
References
- 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).
