Het toepassen van X-ray Imaging Crystal Spectroscopie voor gebruik als een High Temperature Plasma Diagnostic

X-ray spectra leveren een schat aan informatie over de hoge temperatuur plasma's; bijvoorbeeld elektron temperatuur en dichtheid kan worden afgeleid uit de lijn intensiteit ratio's. Door een Johann spectrometer bekijkt de plasma off-as, is het mogelijk om profielen van plasma parameters zoals dichtheid, temperatuur en snelheid in het plasma met een goede ruimtelijke en tijdsresolutie ^1,2 construeren. Dit manuscript presenteert de werking van de hoge resolutie X-ray Crystal Imaging Spectrometer met ruimtelijke resolutie (HIREXSR), een hoge golflengte resolutie ruimtelijk imaging X-ray spectrometer gebruikt om waterstof en helium-achtige ionen van medium atoomnummer elementen in een tokamak bekijken plasma.

HIREXSR wordt ingezet op Alcator C-Mod, een tokamak fusie apparaat met een grote en kleine straal van 0,67 m en 0,22 m respectievelijk. Het werkt meestal met deuterium-plasma's blijvende ~ 2 sec met een gemiddelde dichtheid tussen 0,2-8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 </sup> en centrale electron temperaturen tussen 1-9 keV ^3. Onder deze omstandigheden raken gemiddelde tot hoge Z verontreinigingelementen sterk geïoniseerd en stralen in de X-ray range, welke maatregelen HIREXSR. Benchmarking atomaire code modellering van X-ray spectra verkregen uit goed gediagnosticeerd laboratorium plasma's is het belangrijk om gebruik te maken van dergelijke spectra rechtvaardigen plasma parameters bepalen wanneer andere onafhankelijke diagnostiek zijn niet beschikbaar ^4.

Elke spectrometer is gebouwd voor de gewenste toepassing. Dienovereenkomstig, een algemene beschrijving van de machine en de bijbehorende concepten is nodig om volledig te begrijpen deze krachtige tools ^5. Bragg reflectie treedt op wanneer een foton weerkaatst aangrenzende lagen van een kristal en een afstand af die een veelvoud van de golflengte. Figuur 1 toont dit verschijnsel. Deze voorwaarde wordt uitgedrukt door de vergelijking nλ = 2 d sin θ _b, waarbij n de orde van reflexie, λ de golflengte van het foton, d de scheiding tussen aangrenzende lagen van het kristal en _b θ is de Bragg hoek. Een directe communicatie tussen λ θ en _b geeft aan dat alle fotonen op een specifiek punt van het detectorvlak reizen met dezelfde golflengte. In de praktijk echter, absorptie en precisie beperkingen manifesteren als een afwijking van de Bragg hoek. Dit resulteert in een klein hoekbereik dat aanzienlijke constructieve interferentie, vertegenwoordigd door een rocking curve ⁶ produceren. Figuur 2 is een voorbeeld van een curve voor calcietkristal.

HIREXSR een Johann spectrometer met een sferisch gebogen kristal ^7. Alvorens dit soort apparaat, een bespreking van een eenvoudiger, cirkelvormige spectrometer passend. Deze set-up bestaat uit een gebogen kristal dat binnenkomende fotonen tegen hun respectieve Bragg hoeken te weerspiegeltweert een reeks van één X-ray foton tellen pixel detectoren. Het kristal en de detector leggen raaklijn aan de Rowland cirkel, zoals weergegeven in figuur 3. De diameter van de Rowland cirkel gelijk is aan de kromtestraal van het kristal. Alle stralen vanuit een gegeven punt op de omtrek naar elk punt op het kristal dezelfde invalshoek ten opzichte van het kristal zelf.

. Bij HIREXSR, een sferisch gebogen kristal vergunningen ruimtelijke resolutie in de meridionale vlak, in figuur 4 de meridionale scherpstelling _fm wordt gedefinieerd als: _fm = _Re sin θ _b, waarin _Rc de kromtestraal van het kristal. De sagittale nadruk f _s is gedefinieerd als: f _s = – f _m / cos 2 θ _b. De ruimtelijke resolutie van de spectrometer Δ x wordt gegevendoor: , Waarbij L _cp is de afstand tussen het kristal en het plasma, en d de hoogte van het kristal. Omdat de 2-dimensionale ruimte tussen de kristallagen discreet moet hiermee rekening worden gehouden bij het kiezen van een materiaal. Aangezien de detector oppervlakken vlak zijn, kunnen ze alleen raakt aan de Rowland cirkel op een punt, die derhalve aanleiding geeft tot fout omdat de gedetecteerde straling niet precies landen op hun corresponderende punten op de Rowland cirkel. Fysiek, deze foutieve uitlijning manifesteert zich als een 'uitsmeren' van fotonen van specifieke energie op de detector. Dit Johann error geeft , Waarbij L de breedte van het kristal. Als de detector pixelbreedte Ax _p is veel groter dan de Johann fout en de spectrale resolutie onafhankelijk ervan. Als zij eenre van vergelijkbare grootte, dan is de totale fout kan worden benaderd door . Het oplossend vermogen van het kristal spectrometer wordt gegeven door: waar . In plaats van de detector raaklijn aan een punt op de Rowland cirkel echter in HIREXSR de detector enigszins schuin om de nauwkeurigheid te offeren voor de spectrale bereik, zoals weergegeven in figuur 5. Deze foutenanalyse is experimenteel geverifieerd en voldoet aan verwachting ^8.

Er zijn twee cruciale parameters te overwegen bij het ontwerpen van een Johann spectrometer. Ten eerste, de imaging-range bepaalt wat de spectrometer zal worden observeren. Plasma te bestuderen, is het zeer gewenst om de gehele dwarsdoorsnede om onderscheid te maken tussen lijn is verschoven door Poloidale en Toroi bekijkendal rotatie. HIREXSR zodanig gemonteerd dat deze de gehele plasma kunnen bekijken, en iets gekanteld off-as over -8 ° (in figuur 6) om nauwkeurige metingen ringkern. Ten tweede, de tijd resolutie regelt de minimale tijd tussen gebeurtenissen die de spectrometer kan opnemen. Voor Alcator C-Mod wenselijk zijn lager dan 20 msec, korter dan de energie van deeltjes opsluiting tijden. De röntgendetector tellen pixel detectoren HIREXSR gebruikt een tijdresolutie van 6 tot 20 msec of groter kan ondersteunen ^9. Tabel 1 vat alle module specificaties.

Voor perturbatieve plasma studies wordt de laser blow-off systeem Alcator C-Mod gebruikt om meerdere ablaties te leveren met een precieze timing ^10. De laser een Nd: YAG (neodymium gedoteerde yttriumaluminiumgranaat) werkend bij tot 10 Hz. De laser valt in op een op afstand bestuurbare optische keten zoals getoond in figuur 7 dat leidend ossende balk naar de gewenste locatie op de dia. Vlekgroottes van de laser moet worden gecontroleerd zodat de inspuiting het plasma onmogelijk maakt. Een grote brandpuntsafstand (1146 mm) positieve lens vertaald langs de optische as via een op afstand bedienbare lineaire fase om geablateerd vlekgroottes variëren van -0,5 tot 7 mm. Fast beam besturing wordt bereikt via een 2D-piëzo-elektrische spiegel. Dit piëzo-elektrisch systeem is gemonteerd op een RS232 aangedreven spiegel monteren staat. Naast de Nd: YAG laser, wordt een 633 nm diodelaser gebruikt om de locatie van de belangrijkste straal (infrarood) geven. De balken worden gemaakt worden collineair is met de eerste spiegel.