Применение рентгеновской визуализации спектроскопии кристаллов для использования в качестве высокотемпературной плазмы диагностики

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.