Применение рентгеновской визуализации спектроскопии кристаллов для использования в качестве высокотемпературной плазмы диагностики
Summary
Рентгеновские спектры предоставляют обширную информацию о высокотемпературной плазме. Эта рукопись представляет работу с высоким разрешением длин волн пространственно томография рентгеновский спектрометр, используемый для просмотра ВОДОРОДОПОДОБНЫХ и гелиоподобные ионы средних элементов атомного номера в плазме токамака.
Abstract
Рентгеновские спектры обеспечивают большое количество информации о высокотемпературной плазме; например, электронной температуры и плотности можно вывести из соотношения интенсивностей линий. С помощью спектрометра Иоганна просмотра плазмы, можно построить профили параметров плазмы, таких как плотность, температура и скорость с хорошим пространственным и временным разрешением. Тем не менее, сравнительного анализа атомного моделирования кода рентгеновских спектров, полученных из хорошо диагностированных лабораторной плазмы важно, чтобы оправдать применение таких спектров для определения параметров плазмы, когда другие независимые диагностики не доступны. Эта рукопись представляет работу высокого разрешения рентгеноструктурного спектрометра с формированием изображения с пространственным разрешением (HIREXSR), высокой разрешающей способностью длины волны в пространстве рентгеновских изображений спектрометр, используемый для просмотра водород- и гелий-подобных ионов средних элементов атомного номера в токамаке плазмы. Кроме того, эта рукопись охватывает сдувания лазерную систему, которая может вводить такие ионыв плазме с точным временем, чтобы позволить пертурбативных исследований транспорта в плазме.
Introduction
Рентгеновские спектры обеспечивают большое количество информации о высокотемпературной плазме; например, электронной температуры и плотности можно вывести из соотношения интенсивностей линий. Используя Johann спектрометр просмотра плазму от оси, можно построить профили параметров плазмы , таких как плотность, температура и скорость внутри плазмы с хорошим пространственным и разрешением по времени 1,2. Эта рукопись представляет работу высокого разрешения рентгеноструктурного спектрометра с формированием изображения с пространственным разрешением (HIREXSR), высокой разрешающей способностью длины волны в пространстве рентгеновских изображений спектрометр, используемый для просмотра водород- и гелий-подобных ионов средних элементов атомного номера в токамаке плазмы.
HIREXSR развернут на Alcator C-Mod, токамака слитого устройства с крупным и малым радиусом 0,67 м и 0,22 м соответственно. Это , как правило , работает с дейтерием плазмы длительностью ~ 2 сек с средней плотностью между 0.2-8.0 х 10 20 м -3 </suр> и центральной температуры электронов между 1-9 кэВ 3. В этих условиях от средней до высокой Z примесных элементов становятся сильно ионизированной и излучают в рентгеновском диапазоне, который HIREXSR меры. Сопоставительный анализ атомного моделирования кода рентгеновских спектров , полученных из хорошо диагностированных лабораторной плазмы важно , чтобы оправдать применение таких спектров для определения параметров плазмы , когда другие независимые диагностики не доступны 4.
Каждый спектрометр построен для его желаемого использования. Соответственно, общее описание о машине и связанных с ним понятий необходимо , чтобы полностью понять эти мощные инструменты 5. Брэгг отражение происходит , когда фотон отражается от соседних слоев кристалла и проходит расстояние, которое кратно его длины волны. На рисунке 1 изображен этот феномен. Это условие выражается уравнением nλ = 2 d грех θ б, где п порядок повторногосгибание, λ длина волны фотона, d ì расстояние между соседними слоями кристалла и & thetas Ь угол Брэгга. Один однозначное соответствие между Х и Ъ & thetas указывает на то, что все фотоны в определенной точке плоскости детектора перемещения с той же длиной волны. На практике, однако, абсорбционные и точные ограничения проявляются как отклонение от угла Брэгга. Это приводит лишь небольшой диапазон углов , которые производят значительную конструктивную интерференцию, представленная кривой качания 6. На рисунке 2 показан пример кривой для кристалла кальцита.
HIREXSR является Иоганн спектрометр с сферически изогнутого кристалла 7. Прежде чем описывать такого рода устройства, обсуждение более простой, круговой спектрометр подходит. Эта установка состоит из изогнутого кристалла, который отражает входящие фотоны в их соответствующих углах Брэгга кпалатах массив одиночных рентгеновских детекторов счета фотонов пикселей. Кристаллическая и детектор лежал по касательной к окружности Роланда, как показано на рисунке 3. Диаметр окружности Роланда равен радиусу кривизны кристалла. Все лучи от заданной точки на окружности до любой точки на кристалле имеют один и тот же угол падения относительно самого кристалла.
. В случае HIREXSR, сферически изогнутого разрешений кристалл пространственным разрешением в меридиональной плоскости, показанном на рисунке 4 Меридиональная фокус е м определяется следующим образом: F M = R с грешить & thetas Ь, где R C является радиус кривизны кристалл. Сагиттальный фокус F s определяется следующим образом: П С = – F M / COS 2 θ б. Пространственное разрешение спектрометра Д х задаетсяот: 
, Где L ф является расстоянием между кристаллом и плазмой, и d является высота кристалла. Так как 2-мерное расстояние между кристаллическими слоями дискретно, это необходимо принимать во внимание при выборе материала. Поскольку поверхности детектора являются плоскими, они могут быть только по касательной к окружности Роланда в одной точке, которая, следовательно, дает начало ошибку, так как обнаруженные лучи не посадки именно на их соответствующих точках на окружности Роланда. Физически это рассогласование проявляется как «размыванию» фотонов удельной энергии на детекторе. Эта ошибка Иоганна определяется как 
, Где L является ширина кристалла. Если детектор пикселя ширина р ? X гораздо больше погрешности Иоганна, то спектральное разрешение не зависит от него. Если они вповторно сопоставимого размера, то общая ошибка может быть аппроксимирована 
, Разрешающая способность кристалла спектрометра определяется по формуле: 
, где 
, Вместо того , чтобы поместить детектор касательной к точке на окружности Роланда однако, в HIREXSR детектор слегка наклонена , чтобы жертвовать точностью для спектрального диапазона, как показано на рисунке 5. Этот анализ ошибок было экспериментально подтверждено и соответствует ожиданиям 8.
Есть два важных параметра, которые следует учитывать при разработке спектрометра Иоганна. Во-первых, диапазон изображений определяет, что спектрометр будет наблюдать. Для изучения плазм, крайне желательно, чтобы просмотреть всю его поперечное сечение для того, чтобы различать между сменами линий, вызванных полоидального и toroiвращение декалитров. HIREXSR установлен таким образом, что он может просматривать всю плазму, и слегка наклонена от оси по ~ 8 ° ( как показано на рисунке 6) позволяет получить точные тороидальных измерений. Во-вторых, временное разрешение регулирует минимальное время между событиями, что спектрометр может записать. Для Alcator C-Mod, желательные значения ниже 20 мс, короче энергии и удержания частиц раза. Детекторы подсчета пиксельные рентгеновских лучей , которые HIREXSR использует может поддерживать разрешение по времени от 6 до 20 мс или больше 9. В таблице 1 приведены все спецификации модуля.
Для пертурбативных исследований плазмы, лазерная обдува система на Alcator C-Mod используется для доставки нескольких абляции с точным временем 10. Лазер является Nd: YAG (неодим-иттрий-алюминиевого граната), работающий с частотой до 10 Гц. Лазер падает на дистанционно управляемый оптический поезд , как показано на рисунке 7 , которая фокусируется и бычковлуч в нужное место на слайде. Точечные размеры лазера необходимо контролировать таким образом, инъекции не нарушает плазму. Большое фокусное расстояние (1146 мм) объектив сходящихся переводится вдоль оптической оси с помощью дистанционно управляемой линейной стадии, чтобы позволить ABLATED размеры пятна варьируется в пределах от ~ 0,5 до 7 мм. Быстрое управление лучом достигается с помощью 2D-пьезоэлектрического зеркало. Эта пьезоэлектрический система монтируется к RS232 приводом зеркала крепление способна. В дополнение к Nd: YAG лазера, диодного лазера на 633 нм используется для указания местоположения основного (ИК) луча. Балки сделаны быть коллинеарны через первое зеркало.
Protocol
Representative Results
Discussion
Данные, полученные с помощью этой методики могут быть использованы в самых разнообразных экспериментальных исследований. Ионная температура и тороидальные профили скорости могут быть использованы в широком диапазоне транспортных исследований, в том числе внутренней самообразующей…
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).
