Anvendelse X-ray Imaging Crystal spektroskopi til brug som en høj temperatur Plasma Diagnostic
Summary
X-ray spektre giver et væld af oplysninger om høje temperaturer plasma. Dette håndskrift viser driften af en høj spektral opløsning, rumligt imaging X-ray Spectrometer anvendes til at se brint- og helium-lignende ioner af mellemstore atomnummer elementer i en tokamak plasma.
Abstract
X-ray spektre giver et væld af oplysninger om høj temperatur plasma; for eksempel elektron temperatur og tæthed kan udledes nøgletal linje intensitet. Ved at anvende en Johann spektrometer visning plasmaet, er det muligt at konstruere profiler af plasmaparametre såsom massefylde, temperatur og hastighed med god rumlig og tidsmæssig opløsning. Men benchmarking atomare kode modellering af X-ray spektre opnået fra godt diagnosticerede laboratorie plasmaer er vigtigt at retfærdiggøre brugen af sådanne spektre til at bestemme plasma parametre, når andre uafhængige diagnose er ikke tilgængelige. Dette håndskrift præsenterer driften af High Resolution røntgen Crystal Imaging Spectrometer med Spatial Opløsning (HIREXSR), en høj bølgelængde opløsning rumligt imaging X-ray Spectrometer anvendes til at se hydrogen- og helium-lignende ioner af mellemstore atomnummer elementer i en tokamak plasma. Derudover dette håndskrift dækker en laser blow-off system, der kan indføre sådanne ionertil plasmaet med præcis timing at muliggøre perturbative studier af transport i plasmaet.
Introduction
X-ray spektre giver et væld af oplysninger om høj temperatur plasma; for eksempel elektron temperatur og tæthed kan udledes nøgletal linje intensitet. Ved at anvende en Johann spektrometer visning plasmaet off-akse, er det muligt at konstruere profiler af plasmaparametre såsom massefylde, temperatur og hastighed i plasmaet med god rumlig og tidsmæssig opløsning 1,2. Dette håndskrift præsenterer driften af High Resolution røntgen Crystal Imaging Spectrometer med Spatial Opløsning (HIREXSR), en høj bølgelængde opløsning rumligt imaging X-ray Spectrometer anvendes til at se hydrogen- og helium-lignende ioner af mellemstore atomnummer elementer i en tokamak plasma.
HIREXSR er indsat på Alcator C-Mod, en tokamak fusion enhed med en større og mindre radius på 0,67 m og 0,22 m hhv. Det fungerer typisk med deuterium plasmaer varig ~ 2 sek med gennemsnitlige tætheder mellem 0,2-8,0 x 10 20 m -3 </sup> og central elektron temperaturer mellem 1-9 keV 3. Under disse betingelser bliver medium til høj Z urenhedselementer stærkt ioniseret og udstråler i X-ray interval, som HIREXSR foranstaltninger. Benchmarking atomare kode modellering af X-ray spektre opnået fra godt diagnosticerede laboratorie plasmaer er vigtigt at retfærdiggøre brugen af sådanne spektre til at bestemme plasma parametre, når andre uafhængige diagnose er ikke tilgængelige 4.
Hvert spektrometer er bygget til dets ønskede anvendelse. Derfor en generel beskrivelse om maskinen og dens relaterede begreber er nødvendigt fuldt ud at forstå disse kraftfulde værktøjer 5. Bragg refleksion opstår, når en foton reflekteres fra tilstødende lag af en krystal og tilbagelægger en afstand, der er et multiplum af dens bølgelængde. Figur 1 viser dette fænomen. Denne betingelse udtrykkes ved ligningen nλ = 2 d sin θ b, hvor n er rækkefølgen af rereflektionsegenskaber, λ er bølgelængden af foton, d er adskillelsen mellem tilgrænsende lag af krystal og θ b er Bragg-vinklen. En 12:59 korrespondance mellem λ og θ b angiver, at alle fotoner på et bestemt punkt af detektoren flyet rejse med samme bølgelængde. Men i praksis, absorptions- og præcision begrænsninger åbenbart som en afvigelse fra Bragg vinkel. Dette resulterer i kun en lille område af vinkler, der producerer signifikant konstruktiv interferens, repræsenteret ved en vippende kurve 6. Figur 2 er et eksempel kurve for en calcit krystal.
HIREXSR er en Johann spektrometer med en sfærisk bøjet krystal 7. Før beskrivelse denne type enhed, en diskussion af en enklere, cirkulær spektrometer er passende. Dette sæt up består af en bøjet krystal, der afspejler indgående fotoner på deres respektive Bragg vinklerafværger en vifte af enkelt X-ray foton optælling pixel detektorer. Krystallen og detektoren lå tangent til Rowland cirklen, som vist i figur 3. Diameteren af Rowland cirklen er lig med krumningsradius af krystallen. Alle stråler fra et givet punkt på periferien til ethvert punkt på krystallen har samme indfaldsvinkel i forhold til selve krystal.
. I tilfælde af HIREXSR, en sfærisk bøjet krystal tillader rumlig opløsning i meridionale plan, illustreret i figur 4 er defineret Den meridionale fokus f m som: f m = Rc sin θ b, hvor Rc er krumningsradius af krystal. Den sagittale fokus f s er defineret som: F = – f m / cos 2 θ b. Den rumlige opløsning af spektrometer Δ x er givetved: 
, Hvor L cp er afstanden mellem krystallet og plasmaet, og d er højden af krystallen. Fordi 2-dimensional afstand mellem krystal lag er diskret, skal dette tages i betragtning, når de vælger et materiale. Da detektoren overflader er plane, kan de kun være tangent til Rowland cirkel på et tidspunkt, som derfor giver anledning til fejl, siden de opdagede stråler ikke lander præcist på deres tilsvarende punkter på Rowland cirkel. Fysisk, denne forskydning manifesterer som en "udtværing" af fotoner af specifik energi på detektoren. Dette Johann fejl er defineret som 
, Hvor L er bredden af krystallen. Hvis detektoren pixelbredde Ax p er meget større end Johann fejl, så den spektrale opløsning er uafhængig af den. Hvis de enre af sammenlignelig størrelse, så den totale fejl kan tilnærmes ved 
. Opløsningsevne af krystal spektrometer er givet ved: 
, hvor 
. Stedet for at placere detektoren tangent til et punkt på Rowland cirklen imidlertid i HIREXSR detektoren er vinklet lidt at ofre nøjagtighed for spektrale område, som vist i figur 5. Har Denne fejlanalyse blevet eksperimentelt verificeret og opfylder forventningen 8.
Der er to afgørende parametre at overveje, når designe en Johann spektrometer. Først den billeddannende område bestemmer, hvad den spektrometer vil observere. For at studere plasmaer, er det meget ønskeligt at se hele sin tværsnittet for at skelne mellem linje skift forårsaget af poloidale og toroidal rotation. HIREXSR er monteret således, at det kan se hele plasmaet, og hælder lidt off-akse ved ~8 ° (illustreret i figur 6) for at muliggøre nøjagtige toroidale målinger. For det andet, tidsopløsning regulerer minimum tid mellem hændelser, at spektrometer kan optage. For Alcator C-Mod, ønskelige værdier er under 20 msek, kortere end energi- og partikel indeslutning gange. X-ray optælling pixel detektorer, HIREXSR anvendelser kan understøtte en tidsopløsning på 6 til 20 ms eller større 9. Tabel 1 opsummerer alle de modul specifikationer.
For perturbative plasma studier, er laseren blow-off system på Alcator C-Mod bruges til at levere flere ablationer med præcis timing 10. Laseren er et Nd: YAG (neodym-dopede yttrium aluminium granat) arbejder ved op til 10 Hz. Laseren er indfaldende på et fjernstyret optiske kæde som vist i figur 7, som fokuserer og studebjælken til den ønskede placering på diaset. Spot størrelser af laseren skal styres, så injektionen ikke forstyrrer plasmaet. En lang brændvidde (1.146 mm) konvergerende linse translateres langs den optiske akse via en fjernbetjent lineær fase for at tillade ablaterede pletstørrelser at variere fra -0,5 til 7 mm. Hurtig stråle styring opnås via en 2D piezoelektriske spejl. Denne piezoelektriske systemet er monteret på en RS232 drevet spejl mount stand. Ud over den Nd: YAG-laser, er en 633 nm diodelaser anvendes til at angive placeringen af main (infrarød) stråle. Bjælkerne er lavet til at blive på linie gennem det første spejl.
Protocol
Representative Results
Discussion
De data, der genereres ved denne teknik kan anvendes i en lang række eksperimentelle studier. Ion temperatur og ringkerne hastighedsprofiler kan anvendes i en bred vifte af transport undersøgelser, herunder indre selv-genererede plasma rotation og ikke-lokale perturbative virkninger. Måling spektre af injicerede urenheder gennem laser blow-off kan også give vigtige oplysninger om transporten af urenheder i plasmaet, som blev gjort i Howard et al. 2011 10. På dette tidspunkt, ingen anden plasma d…
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).
