高温プラズマ診断として使用するためのX線イメージングクリスタル分光法を適用します
Summary
X線スペクトルは、高温プラズマに関する豊富な情報を提供しています。本稿では、空間的にトカマクプラズマ中の培地原子番号の元素の水素 – 及びヘリウム様イオンを表示するために使用されるX線分光器を画像化、高波長分解能の動作を示します。
Abstract
X線スペクトルは、高温プラズマに関する豊富な情報を提供すること。例えば、電子温度と密度は、線強度比から推測することができます。プラズマ表示ヨハン分光計を用いることにより、良好な空間及び時間分解能での密度、温度、及び速度などのプラズマパラメータのプロファイルを構築することが可能です。しかし、よく診断実験室プラズマから得られたX線スペクトルの原子コード・モデリングをベンチマークすると、他の独立した診断が利用できないときにプラズマパラメータを決定するために、このようなスペクトルの使用を正当化することが重要です。この原稿は、空間分解能（HIREXSR）、トカマク中の培地原子番号の元素の水素 – 及びヘリウム様イオンを表示するために使用される高波長分解能、空間的にイメージングX線分光器で高分解能X線結晶撮像分光装置の動作を提示しますプラズマ。また、この原稿は、そのようなイオンを導入することができ、レーザブローオフシステムをカバー正確なタイミングでプラズマにプラズマ中の輸送の摂動の研究を可能にします。
Introduction
X線スペクトルは、高温プラズマに関する豊富な情報を提供すること。例えば、電子温度と密度は、線強度比から推測することができます。軸外プラズマ表示ヨハン分光計を使用することにより、このような良好な空間及び時間分解能1,2プラズマ内部の密度、温度、及び速度などのプラズマパラメータのプロファイルを構築することが可能です。この原稿は、空間分解能（HIREXSR）、トカマク中の培地原子番号の元素の水素 – 及びヘリウム様イオンを表示するために使用される高波長分解能、空間的にイメージングX線分光器で高分解能X線結晶撮像分光装置の動作を提示しますプラズマ。
HIREXSRはAlcator C-Modの、それぞれ0.67メートルと0.22メートルのメジャーとマイナーの半径のトカマク核融合装置に配備されています。それは、典型的には、重水素プラズマが0.2から8.0×10 20メートルの間の平均密度で〜2秒の持続で動作-3 </su1-9 keVの3の間のp>と中央の電子温度。これらの条件下では、高Z不純物元素の媒体は非常にイオン化し、対策をHIREXSR X線領域で放射します。よく診断された実験室プラズマから得られたX線スペクトルの原子コード・モデリングをベンチマークすると、他の独立した診断が4使用できない場合にプラズマパラメータを決定するために、このようなスペクトルの使用を正当化することが重要です。
すべての分光計は、その所望の使用のために構築されています。したがって、マシンとその関連する概念についての一般的な説明は完全にこれらの強力なツール5を把握することが必要です。光子が結晶の隣接する層を反射し、その波長の倍数である距離を走行する際、ブラッグ反射が発生します。1は、この現象を示している図 。この条件は、nは 、再オーダーである式のnλ= 2 Dの罪θbと表されます屈曲は、λは、光子の波長であり、dは結晶とθBの隣接する層の間の分離はブラッグ角です。 λとθbとの 1対1の対応は、同じ波長で検出器平面の旅行の特定の時点での全フォトンことを示しています。しかし、実際には、ブラッグ角からの偏差として現れる吸収と精度の限界。これは、ロッキングカーブ6で示される重要な建設的干渉を生成する角度だけ小さな範囲になる。 図2は、方解石結晶の例曲線です。
HIREXSRは球状に曲がっ結晶7とヨハン分光計です。この種の装置を説明する前に、簡単な、円形分光計の議論は適切です。これは、セットアップに角、それぞれのブラッグで入ってくる光子を反映して曲がった結晶で構成されてい病棟単一X線光子計数ピクセル検出器のアレイを。 図3に表示されているように結晶と検出器は、ローランド円の接線を置く。ローランド円の直径が結晶の曲率半径に等しいです。結晶の任意の点までの円周上の任意の点からの全ての光線は、結晶自体に関して同じ入射角を持っています。
HIREXSRの場合には、球状に曲がった結晶は、図4に示した子午面における空間分解能を可能にする子午線フォーカスF mは次のように定義されます。R cはの曲率半径メートル = R Cの罪θのB、F結晶。 – メートル / COS 2θbの F S = F：矢状焦点F Sは以下のように定義されます。分光計Δxの空間分解能が与えられます。によって： 
ここで、L CPは結晶とプラズマとの間の距離であり、Dは、結晶の高さです。結晶層の2次元の間隔が離散的であるため、材料を選択する際に、これが考慮に入れなければなりません。検出器面は平面であるので、それらは、検出された光がローランド円上の対応する点上に正確に着弾されないので、結果的にエラーを生じさせる一点、でローランド円に接することができます。物理的には、この位置ずれは、検出器上の特定のエネルギーの光子の「にじみ」として現れます。このヨハン・エラーは以下のように定義されます
ここで、lは 、結晶の幅です。検出器画素幅ΔXpはヨハン誤差よりもはるかに大きい場合、スペクトル分解能は、それとは無関係です。彼らの場合匹敵するサイズの再し、総誤差は、以下によって近似することができます。 
。結晶分光器の分解能は、次式で与えられます。 
ここで、 
。 図5に示すように、代わりにHIREXSRに、しかし、ローランド円上の点に検出器の接線を置くの検出器は、スペクトル範囲のために精度を犠牲にするためにわずかに傾斜している。このエラーの分析は、実験的に確認されていると期待8に準拠しています。
ヨハン分光計を設計する際に考慮すべき2の重要なパラメータがあります。まず、撮像範囲は、分光計が観測されるかを決定します。プラズマを研究するために、ポロイダルとtoroiによって引き起こされるラインシフトを区別するために、その全体の断面を表示することが非常に望ましいですダル回転。 HIREXSRは、それが全体のプラズマを閲覧することができるように取り付けられており、正確なトロイダル測定を可能にするために（ 図6に示す）~8°の軸外に少し傾いています。第二に、時間分解能は、分光計が記録することができ、イベント間の最小時間を調節します。 Alcator C-Modのために、望ましい値は、エネルギーと粒子閉じ込め時間より短い20秒、以下です。 HIREXSR用途が20ミリ秒以上の6の時間分解能をサポートすることができ、X線計測ピクセル検出器は、9。 表1は、モジュールの仕様のすべてをまとめました。
摂動プラズマ研究のために、Alcator C-MODにレーザブローオフシステムは、正確なタイミング10と、複数のアブレーションを送達するために使用されます。レーザのNdである：YAG（ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット）は、最大10Hzで動作します。レーザーは図7に示すように焦点を合わせ、リモート制御光学トレインに入射し、去勢牛スライド上の所望の位置にビーム。レーザーのスポットサイズは、注入は、プラズマを破壊しないように制御する必要があります。長焦点距離（1146ミリメートル）集光レンズは、アブレーションされたスポットサイズは、約0.5から7ミリメートルまで変化することを可能にするリモート制御リニアステージを介して光軸に沿って平行移動されます。高速ビームステアリングは、2D圧電ミラーを介して達成されます。この圧電システムは、ミラーができるマウント駆動RS232に装着されています。 Ndに加えて：YAGレーザー、633nmのダイオードレーザは、主（赤外線）ビームの位置を示すために使用されます。ビームは、第1のミラーを介して同一直線上にするように作られています。
Protocol
Representative Results
Discussion
この技術によって生成されたデータは、実験的研究の広範囲で使用することができます。イオン温度とトロイダル速度プロファイルは、本質的な自己生成プラズマ回転と非局所摂動効果を含む輸送研究の広い範囲で使用することができます。ハワードら。2011年10で行われていたように、レーザブローオフを通して注入した不純物のスペクトルを測定することも、血漿中の不純?…
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).
