تطبيق الأشعة السينية التصوير الطيفي كريستال لاستخدامها بوصفها درجة الحرارة عالية البلازما التشخيص
Summary
توفر أطياف الأشعة السينية ثروة من المعلومات عن البلازما ارتفاع في درجة الحرارة. تقدم هذه المخطوطة تشغيل دقة عالية الطول الموجي التصوير مكانيا مطياف الأشعة السينية المستخدمة لعرض أيونات بالهيدروجين والهليوم مثل العناصر العدد الذري المتوسطة في البلازما توكاماك.
Abstract
الأشعة السينية أطياف توفر ثروة من المعلومات عن البلازما درجات الحرارة العالية؛ على سبيل المثال درجة حرارة الإلكترون وكثافة ويمكن الاستدلال على ذلك من نسب كثافة خط. باستخدام مطياف يوهان عرض البلازما، فمن الممكن لبناء لمحات من المعلمات البلازما مثل الكثافة ودرجة الحرارة وسرعة جيدة مع القرار المكانية والزمنية. ومع ذلك، القياس والنمذجة كود الذري أطياف الأشعة السينية تم الحصول عليها من البلازما مختبر تشخيص جيدا المهم لتبرير استخدام هذه الأطياف لتحديد المعلمات البلازما عند التشخيص مستقلة أخرى غير متوفرة. تقدم هذه المخطوطة تشغيل مطياف التصوير عالية الدقة الأشعة السينية كريستال مع القرار المكانية (HIREXSR)، دقة عالية الطول الموجي التصوير مكانيا مطياف الأشعة السينية المستخدمة لعرض أيونات بالهيدروجين والهيليوم مثل العناصر العدد الذري المتوسطة في توكاماك بلازما. وبالإضافة إلى ذلك، هذه المخطوطة يغطي نظام ضربة قبالة الليزر التي يمكن أن يقدم تلك الأيوناتإلى البلازما مع توقيت دقيق للسماح للدراسات اضطرابي النقل في البلازما.
Introduction
الأشعة السينية أطياف توفر ثروة من المعلومات عن البلازما درجات الحرارة العالية؛ على سبيل المثال درجة حرارة الإلكترون وكثافة ويمكن الاستدلال على ذلك من نسب كثافة خط. باستخدام مطياف يوهان عرض البلازما خارج المحور، فمن الممكن لبناء لمحات من المعلمات البلازما مثل الكثافة ودرجة الحرارة وسرعة داخل البلازما مع حسن المكانية والزمنية قرار 1،2. تقدم هذه المخطوطة تشغيل مطياف التصوير عالية الدقة الأشعة السينية كريستال مع القرار المكانية (HIREXSR)، دقة عالية الطول الموجي التصوير مكانيا مطياف الأشعة السينية المستخدمة لعرض أيونات بالهيدروجين والهيليوم مثل العناصر العدد الذري المتوسطة في توكاماك بلازما.
نشر HIREXSR على Alcator C-وزارة الدفاع، جهاز الانصهار توكاماك مع دائرة نصف قطرها الأكبر والأصغر من 0.67 م و 0.22 م على التوالي. وهي تعمل عادة مع البلازما الديوتيريوم دائم ~ 2 ثانية مع متوسط الكثافة بين 0،2-8،0 × 10 20 م -3 </suP> والإلكترون المركزي درجات حرارة تتراوح بين 1-9 كيلو 3. في ظل هذه الظروف والمتوسطة والعناصر النجاسة عالية Z تصبح المتأين للغاية وتشع في نطاق الأشعة السينية، التي HIREXSR التدابير. القياس النمذجة كود الذري أطياف الأشعة السينية تم الحصول عليها من البلازما مختبر تشخيص جيدا المهم لتبرير استخدام هذه الأطياف لتحديد المعلمات البلازما عند التشخيص مستقلة أخرى لا تتوفر 4.
تم بناء كل طيف للاستخدام المرجوة. وفقا لذلك، وصفا عاما عن الجهاز والمفاهيم المتصلة به ضروري لفهم الكامل لهذه الأدوات القوية 5. يحدث براج انعكاس عندما يعكس الفوتون من الطبقات المجاورة من الكريستال ويسافر المسافة التي هي من مضاعفات طول موجته الشكل 1 يصور هذه الظاهرة. ويتم التعبير عن هذا الشرط من المعادلة nλ = 2 د الخطيئة θ ب، حيث n هو أمر إعادةثني، λ هو الطول الموجي للفوتون، د هو الفصل بين الطبقات المجاورة من الكريستال وθ ب هو زاوية براج. واحد إلى واحد المراسلات بين λ وθ ب يشير إلى أن كل الفوتونات في نقطة محددة من السفر الطائرة كاشف مع نفس الموجة. في الممارسة العملية، ومع ذلك، وامتصاص والدقة القيود اضح باعتباره انحرافا من زاوية براج. وينتج عن ذلك سوى مجموعة صغيرة من الزوايا التي تنتج التداخل بناء كبير، ويمثلها منحنى هزاز 6 الشكل 2 هو منحنى سبيل المثال لبلورة الكالسيت.
HIREXSR هو مطياف يوهان مع الكريستال عازمة كرويا 7. قبل وصف هذا النوع من الجهاز، لمناقشة ذلك، مطياف دائري بساطة غير مناسبة. يتكون هذا مجموعة تتكون من الكريستال عازمة تعكس الفوتونات الواردة في براج كل منهما زوايا لعنابر مجموعة من الأشعة السينية للكشف عن عد الفوتون بكسل واحدة. وضوح الشمس، وكشف عن وضع الظل الى دائرة رولاند، كما هو معروض في الشكل (3). ويبلغ قطر دائرة رولاند يساوي نصف قطر انحناء وضوح الشمس. كل أشعة من نقطة معينة على محيط إلى أي نقطة على الكريستال لديها نفس زاوية الحادث فيما يتعلق الكريستال نفسها.
. في حالة HIREXSR، وتصاريح وضوح الشمس القرار المكانية عازمة كرويا في الطائرة الزوالية، ويتضح في الشكل (4) ويعرف خط-طولي التركيز و م على النحو التالي: و م = R ج الخطيئة θ ب، حيث R c هي نصف قطر انحناء وضوح الشمس. يتم تعريف سهمي التركيز و الصورة على النحو التالي: س ج = – و م / جتا 2 θ ب. ونظرا لقرار المكاني للمطياف Δ سبواسطة: 
حيث L حزب المحافظين هي المسافة بين الكريستال والبلازما، وd هو ارتفاع من الكريستال. لأن التباعد 2-الأبعاد للطبقات الكريستال منفصلة، وهذا يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار عند اختيار المواد. منذ أسطح كشف ومستو، يمكن أن تكون إلا الظل الى دائرة رولاند عند نقطة واحدة، والذي بالتالي يؤدي إلى خطأ منذ أشعة الكشف لا تهبط على وجه التحديد على نقاط المقابلة على دائرة رولاند. جسديا، يظهر هذا الاختلال بأنه "تلطيخ" من فوتونات الطاقة المحددة على كاشف. ويعرف هذا الخطأ يوهان كما 
حيث L هو عرض من الكريستال. إذا كان كشف بكسل δx العرض ص هو أكبر بكثير من الخطأ يوهان، ثم القرار الطيفي مستقل من ذلك. إذا كانت لإعادة ذات الحجم المماثل، ثم يمكن أن يقترب الخطأ الكلي من قبل 
. ونظرا لقوة حل لطيف وضوح الشمس من قبل: 
، أين 
. بدلا من وضع الظل كاشف إلى نقطة على الدائرة رولاند ومع ذلك، في HIREXSR والزاوية كاشف قليلا للتضحية دقة عن النطاق الطيفي، كما هو مبين في الشكل (5). وقد تم التحقق منها تحليل الخطأ هذه التجربة ويتفق مع توقعات 8.
هناك نوعان من المعلمات الحاسمة في الاعتبار عند تصميم مطياف يوهان. أولا، ومجموعة التصوير يحدد ما مطياف سوف يراقب. لدراسة البلازما، فمن المرغوب فيه جدا لعرض قسمها عبر بأكمله من أجل التمييز بين التحولات خط الناجمة عن poloidal وtoroiتناوب الدال. هي التي شنت HIREXSR من النوع الذي يمكن عرض البلازما كله، ويميل قليلا خارج المحور من قبل ~8 درجة (موضح في الشكل رقم 6) للسماح لقياس حلقية دقيقة. ثانيا، القرار مرة ينظم الحد الأدنى من الوقت بين الأحداث التي مطياف يمكن تسجيل. لAlcator C-وزارة الدفاع، والقيم المرغوب فيه هي أقل من 20 ميللي ثانية، وأقصر من الأوقات الطاقة والحبس الجسيمات. الأشعة السينية للكشف عن العد بكسل أن الاستخدامات HIREXSR يمكن أن تدعم قرارا وقت 6-20 مللي ثانية أو أكبر 9. ويلخص الجدول 1 جميع المواصفات وحدة.
لدراسات بلازما اضطرابي، يتم استخدام الليزر ضربة قبالة النظام على Alcator C-وزارة الدفاع لتقديم ablations متعددة مع التوقيت الدقيق 10. الليزر هو الثانية: YAG (مخدر النيوديميوم الإيتريوم العقيق الألومنيوم) التي تعمل بسرعة تصل إلى 10 هرتز. الليزر هو الحادث على متن قطار البصرية للتحكم عن بعد كما هو موضح في الشكل 7 أن يركز ويوجهشعاع إلى الموقع المطلوب على الشريحة. تحتاج إلى رقابة وبالتالي فإن حقن لا يعطل البلازما أحجام بقعة الليزر. ويترجم عدسة المتقاربة البعد البؤري الطويل (1146 ملم) على طول المحور البصري عبر مرحلة خطية التحكم فيها عن بعد للسماح أحجام بقعة ذاب لتختلف من ~0.5 إلى 7 ملم. ويتم تحقيق سريع شعاع التوجيه عبر مرآة كهرضغطية 2D. هي التي شنت هذا النظام كهرضغطية إلى مرآة RS232 مدفوعة جبل قادرة. بالإضافة إلى الثانية: ليزر YAG، يتم استخدام 633 نانومتر ليزر ديود للإشارة إلى موقع (الأشعة تحت الحمراء) الشعاع الرئيسي. يتم إجراء أشعة لتكون خط واحد من خلال المرآة الأولى.
Protocol
Representative Results
Discussion
البيانات التي تم إنشاؤها بواسطة هذه التقنية يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة واسعة من الدراسات التجريبية. درجة الحرارة أيون وملامح سرعة حلقية يمكن استخدامها في مجموعة واسعة من دراسات النقل، بما في ذلك جوهري دوران البلازما المولدة ذاتيا والآثار اضطرابي غير المحلية. ?…
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).
