एक उच्च तापमान प्लाज्मा निदान के रूप में उपयोग के लिए आवेदन एक्स-रे इमेजिंग क्रिस्टल स्पेक्ट्रोस्कोपी
Summary
एक्स-रे स्पेक्ट्रा उच्च तापमान plasmas पर जानकारी का खजाना प्रदान करते हैं। यह पांडुलिपि स्थानिक इमेजिंग एक्स-रे एक टोकामक प्लाज्मा में मध्यम परमाणु संख्या तत्वों का हाइड्रोजन और हीलियम की तरह आयनों देखने के लिए इस्तेमाल स्पेक्ट्रोमीटर एक उच्च तरंगदैर्ध्य संकल्प के संचालन को प्रस्तुत करता है।
Abstract
एक्स-रे स्पेक्ट्रा उच्च तापमान plasmas पर जानकारी का खजाना प्रदान करते हैं; उदाहरण इलेक्ट्रॉन तापमान और घनत्व के लिए लाइन तीव्रता अनुपातों से अनुमान लगाया जा सकता है। प्लाज्मा को देखने के लिए एक जोहान स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके, यह इस तरह के घनत्व, तापमान, और अच्छा स्थानिक और समय संकल्प के साथ वेग के रूप में प्लाज्मा मापदंडों के प्रोफाइल का निर्माण करने के लिए संभव है। हालांकि, बेंच मार्किंग एक्स-रे स्पेक्ट्रा अच्छी तरह से निदान प्रयोगशाला plasmas से प्राप्त की परमाणु कोड मॉडलिंग ऐसे स्पेक्ट्रा के प्रयोग का औचित्य साबित करने के लिए प्लाज्मा मानकों का निर्धारण करने के लिए जब अन्य स्वतंत्र निदान उपलब्ध नहीं हैं महत्वपूर्ण है। यह पांडुलिपि स्थानिक संकल्प के साथ उच्च संकल्प एक्स-रे क्रिस्टल इमेजिंग स्पेक्ट्रोमीटर (HIREXSR), एक उच्च तरंग दैर्ध्य स्थानिक इमेजिंग एक्स-रे एक टोकामक में मध्यम परमाणु संख्या तत्वों के आयनों हाइड्रोजन और हीलियम की तरह देखने के लिए इस्तेमाल स्पेक्ट्रोमीटर संकल्प के संचालन को प्रस्तुत करता है प्लाज्मा। इसके अलावा, इस पांडुलिपि एक लेजर झटका बंद प्रणाली है कि इस तरह के आयनों को पेश कर सकते हैं शामिलसटीक समय के साथ प्लाज्मा करने के लिए प्लाज्मा में परिवहन के perturbative अध्ययन के लिए अनुमति देने के लिए।
Introduction
एक्स-रे स्पेक्ट्रा उच्च तापमान plasmas पर जानकारी का खजाना प्रदान करते हैं; उदाहरण इलेक्ट्रॉन तापमान और घनत्व के लिए लाइन तीव्रता अनुपातों से अनुमान लगाया जा सकता है। एक जोहान स्पेक्ट्रोमीटर बंद अक्ष प्लाज्मा को देखने का उपयोग करके, यह इस तरह के घनत्व, तापमान, और अच्छा स्थानिक और समय संकल्प 1,2 के साथ प्लाज्मा के अंदर वेग के रूप में प्लाज्मा मापदंडों के प्रोफाइल का निर्माण करने के लिए संभव है। यह पांडुलिपि स्थानिक संकल्प के साथ उच्च संकल्प एक्स-रे क्रिस्टल इमेजिंग स्पेक्ट्रोमीटर (HIREXSR), एक उच्च तरंग दैर्ध्य स्थानिक इमेजिंग एक्स-रे एक टोकामक में मध्यम परमाणु संख्या तत्वों के आयनों हाइड्रोजन और हीलियम की तरह देखने के लिए इस्तेमाल स्पेक्ट्रोमीटर संकल्प के संचालन को प्रस्तुत करता है प्लाज्मा।
HIREXSR Alcator सी-मॉड क्रमश: 0.67 और 0.22 मीटर मीटर की बड़ी और छोटी त्रिज्या के साथ एक टोकामक संलयन डिवाइस पर तैनात किया गया है। यह आमतौर पर स्थायी ड्यूटेरियम plasmas 0.2-8.0 के बीच 10 x 20 मीटर ~ 2 औसत घनत्व के साथ सेकंड के साथ चल रही -3 </su1-9 कीव 3 के बीच p> और केंद्रीय इलेक्ट्रॉन तापमान। इन शर्तों के तहत, उच्च Z अशुद्धता तत्वों को मध्यम अत्यधिक आयनित और एक्स-रे रेंज है, जो उपायों HIREXSR में प्रसारित हो जाते हैं। बेंचमार्किंग एक्स-रे स्पेक्ट्रा अच्छी तरह से निदान प्रयोगशाला plasmas से प्राप्त की परमाणु कोड मॉडलिंग ऐसे स्पेक्ट्रा के प्रयोग का औचित्य साबित करने के लिए प्लाज्मा मानकों का निर्धारण करने के लिए जब अन्य स्वतंत्र निदान उपलब्ध नहीं हैं 4 महत्वपूर्ण है।
हर स्पेक्ट्रोमीटर अपनी वांछित उपयोग के लिए बनाया गया है। तदनुसार, मशीन और इससे संबंधित अवधारणाओं के बारे में एक सामान्य विवरण पूरी तरह से इन शक्तिशाली उपकरण 5 को समझने के लिए आवश्यक है। ब्रैग प्रतिबिंब होता है जब एक फोटान एक क्रिस्टल के आसन्न परतों बंद को दर्शाता है और एक दूरी इसकी तरंग दैर्ध्य की एक बहु है कि यात्रा करता है। चित्रा 1 इस घटना को दर्शाया गया है। इस हालत समीकरण nλ = 2 डी पाप θ बी, जहाँ n पुन का आदेश है द्वारा व्यक्त की हैघुमाव, λ फोटोन की तरंग दैर्ध्य है, डी क्रिस्टल और θ बी के आसन्न परतों के बीच अलगाव ब्रैग कोण है। Λ और θ बी के बीच एक पत्राचार करने के लिए एक एक को इंगित करता है एक ही तरंग दैर्ध्य के साथ डिटेक्टर विमान यात्रा का एक विशिष्ट बिंदु पर सभी फोटॉनों है। व्यवहार में, हालांकि, अवशोषण और सटीक सीमाओं ब्रैग कोण से एक विचलन के रूप में प्रकट। यह केवल कोण है कि महत्वपूर्ण रचनात्मक हस्तक्षेप, एक कमाल की वक्र 6 के प्रतिनिधित्व वाले उत्पादन की एक छोटी रेंज में यह परिणाम है। चित्रा 2 एक केल्साइट क्रिस्टल के लिए एक उदाहरण की अवस्था है।
HIREXSR एक spherically तुला हुआ क्रिस्टल 7 के साथ एक जोहान स्पेक्ट्रोमीटर है। डिवाइस का इस तरह का वर्णन करने से पहले, एक सरल, परिपत्र स्पेक्ट्रोमीटर की चर्चा उचित है। इस सेट अप एक तुला क्रिस्टल है कि आने वाली फोटॉनों उनके संबंधित ब्रैग में करने के कोण को दर्शाता है के होते हैंएकल एक्स-रे फोटॉन गिनती पिक्सेल डिटेक्टरों की एक सरणी वार्ड। क्रिस्टल और डिटेक्टर के रूप में 3 चित्र में दिखाया गया है, रोलैंड चक्र को स्पर्श करना। रोलैंड वृत्त के व्यास क्रिस्टल की वक्रता की त्रिज्या के बराबर है। क्रिस्टल पर किसी भी मुद्दे पर परिधि पर एक भी बिंदु से सभी किरणों क्रिस्टल खुद के लिए सम्मान के साथ एक ही घटना के कोण है।
। HIREXSR, एक spherically तुला हुआ क्रिस्टल परमिट दक्षिणी विमान में स्थानिक संकल्प के मामले में चित्रा 4 में सचित्र में दक्षिणी फोकस एफ एम के रूप में परिभाषित किया गया है: एफ एम = आर सी पाप θ बी, जहां आर सी की वक्रता की त्रिज्या है क्रिस्टल। – एफ एम / क्योंकि 2 θ बी एफ एस =: बाण फोकस एफ एस के रूप में परिभाषित किया गया है। के स्पेक्ट्रोमीटर Δ एक्स स्थानिक संकल्प दिया जाता हैद्वारा: 
, जहां एल सी पी क्रिस्टल और प्लाज्मा के बीच की दूरी है, और डी क्रिस्टल की ऊंचाई है। क्योंकि क्रिस्टल परतों के 2-आयामी रिक्ति असतत है, यह ध्यान में जब एक सामग्री के चयन में लिया जाना चाहिए। चूंकि डिटेक्टर सतहों तलीय रहे हैं, वे केवल एक ही बिंदु, जिसके फलस्वरूप पता लगाया किरणों रोलैंड सर्कल पर उनके इसी अंक पर ठीक लैंडिंग नहीं कर रहे हैं क्योंकि गलती को जन्म देता है पर रोलैंड चक्र को स्पर्श हो सकता है। शारीरिक रूप से, इस misalignment एक डिटेक्टर पर विशिष्ट ऊर्जा की फोटॉनों की "smearing" के रूप में प्रकट होता है। यह जोहान त्रुटि के रूप में परिभाषित किया गया है 
, जहां एल क्रिस्टल की चौड़ाई है। डिटेक्टर पिक्सेल चौड़ाई δx पी जोहान त्रुटि की तुलना में बहुत बड़ा है, तो वर्णक्रम संकल्प यह से स्वतंत्र है। अगर वे एकतुलनीय आकार के फिर, तो कुल त्रुटि द्वारा अनुमानित किया जा सकता 
। क्रिस्टल स्पेक्ट्रोमीटर का हल शक्ति द्वारा दिया जाता है: 
, कहा पे 
। इसके बजाय डिटेक्टर स्पर्श करने HIREXSR में हालांकि रोलैंड वृत्त पर एक बात करने के लिए रखने के यंत्र के रूप में चित्रा 5 में दिखाया गया है, वर्णक्रमीय रेंज के लिए सटीकता बलिदान करने के लिए थोड़ा angled है। यह त्रुटि विश्लेषण प्रयोगात्मक सत्यापित किया गया है और उम्मीद है 8 के अनुरूप है।
वहाँ दो महत्वपूर्ण मानकों पर विचार करने के लिए जब एक जोहान स्पेक्ट्रोमीटर डिजाइन कर रहे हैं। सबसे पहले, इमेजिंग सीमा निर्धारित करता है जो स्पेक्ट्रोमीटर का अवलोकन कर दिया जाएगा। plasmas का अध्ययन करने के लिए, यह आदेश poloidal और toroi की वजह से लाइन पारियों के बीच भेद करने में अपनी पूरी क्रॉस सेक्शन देखने के लिए अति आवश्यक हैदाल रोटेशन। HIREXSR ऐसी मुहिम शुरू की है कि यह पूरे प्लाज्मा देख सकते हैं, और सटीक मापन के लिए अनुमति देने के लिए toroidal ~8 ° (6 चित्र में सचित्र) द्वारा बंद अक्ष थोड़ा झुका हुआ है। दूसरा, समय संकल्प घटनाओं है कि स्पेक्ट्रोमीटर रिकॉर्ड कर सकते हैं के बीच कम से कम समय को नियंत्रित करता है। Alcator सी-मॉड के लिए, वांछनीय मूल्यों नीचे 20 मिसे, ऊर्जा और कण कारावास बार की तुलना में छोटे होते हैं। एक्स-रे गिनती पिक्सेल डिटेक्टरों कि HIREXSR उपयोगों 6 के एक समय संकल्प 20 मिसे या बड़ा करने के लिए समर्थन कर सकते हैं 9। तालिका 1 मॉड्यूल विनिर्देशों के सभी सार।
Perturbative प्लाज्मा पढ़ाई के लिए, लेजर Alcator सी-मॉड पर उड़ाने बंद प्रणाली सटीक समय 10 के साथ कई ablations वितरित करने के लिए प्रयोग किया जाता है। लेजर एक एन डी है: YAG (Neodymium डाल दिया गया yttrium एल्यूमीनियम गार्नेट) के लिए 10 हर्ट्ज पर सक्रिय है। लेजर के रूप में चित्रा 7 कि केंद्रित है और steers में दिखाया गया है एक रिमोट नियंत्रित ऑप्टिकल ट्रेन पर घटना हैस्लाइड पर इच्छित स्थान पर किरण। लेजर के स्थान आकार नियंत्रित किया जा करने के लिए इतना इंजेक्शन प्लाज्मा को बाधित नहीं करता जरूरत है। एक लंबे फोकल लंबाई (1,146 मिमी) अभिसारी लेंस एक रिमोट नियंत्रित रैखिक चरण के माध्यम से ऑप्टिकल अक्ष के साथ अनुवाद किया है ablated स्थान आकार ~0.5 से 7 मिमी के लिए भिन्न करने की अनुमति है। तेजी से बीम स्टीयरिंग एक 2 डी पीजोइलेक्ट्रिक दर्पण के माध्यम से हासिल की है। इस पीजोइलेक्ट्रिक प्रणाली एक RS232 संचालित दर्पण के लिए मुहिम शुरू की है सक्षम माउंट। एन डी के अलावा: YAG लेजर, एक 633 एनएम डायोड लेजर मुख्य (अवरक्त) बीम के स्थान इंगित करने के लिए प्रयोग किया जाता है। मुस्कराते हुए पहले दर्पण के माध्यम से समरेख जा बना रहे हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस तकनीक द्वारा उत्पन्न डेटा प्रयोगात्मक अध्ययन की एक विस्तृत विविधता में इस्तेमाल किया जा सकता है। आयन तापमान और toroidal वेग प्रोफाइल आंतरिक स्वयं उत्पन्न प्लाज्मा रोटेशन और गैर स्थानीय perturbative प्रभाव सह?…
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
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