Yüksek Sıcaklık Plazma Tanı olarak Kullanım için X-ışını Görüntüleme Kristal Spektroskopisi Uygulanması
Summary
X-ışını spektrumları yüksek sıcaklık plazmalar hakkında bilgi bir zenginlik sağlar. Bu makale uzamsal bir tokamak plazmada orta atom numarası elemanlarının hidrojenkarbonat ve helyum gibi iyonları görüntülemek için kullanılan X-ışını spektrometresi görüntüleme yüksek dalga boyu çözünürlüğü çalışmasını sunuyor.
Abstract
X-ışını spektrumları yüksek sıcaklık plazmalar hakkında bilgi zenginliği sağlamak; örnek elektron sıcaklığı ve yoğunluğu için hat yoğunluğu oranlarından anlaşılmaktadır olabilir. Plazma görüntüleme bir Johann spektrometre kullanarak, böyle iyi uzaysal ve zamansal çözünürlüğe sahip yoğunluğu, sıcaklık ve hız gibi plazma parametrelerinin profil oluşturmak mümkündür. Ancak, iyi tanı laboratuvar plazmalar elde edilen X-ışını spektrumları atomik kod modellemesi kıyaslama diğer bağımsız teşhis mevcut olmadığında plazma parametrelerini belirlemek için bu tür spektrumları kullanımını haklı göstermek için önemlidir. Bu yazının Mekansal Çözünürlük Yüksek Çözünürlüklü X-ışını Kristal Görüntüleme Spektrometre (HIREXSR), uzamsal bir Tokamak orta atom numarası elemanlarının hidrojenkarbonat ve helyum gibi iyonları görüntülemek için kullanılan X-ışını spektrometresi görüntüleme yüksek dalga boyu çözünürlüğü çalışmasını sunuyor plazma. Buna ek olarak, bu el yazması gibi iyonlar tanıtmak bir lazer darbe-off sistemi kapsarhassas zamanlama ile plazmaya plazmadaki ulaşım pertürbatif çalışmaları için izin vermek.
Introduction
X-ışını spektrumları yüksek sıcaklık plazmalar hakkında bilgi zenginliği sağlamak; örnek elektron sıcaklığı ve yoğunluğu için hat yoğunluğu oranlarından anlaşılmaktadır olabilir. Eksen dışı plazma görüntüleme bir Johann spektrometre kullanarak, böyle iyi uzaysal ve zamansal çözünürlüğü 1,2 ile plazma içindeki yoğunluğu, sıcaklık ve hız gibi plazma parametrelerinin profil oluşturmak mümkündür. Bu yazının Mekansal Çözünürlük Yüksek Çözünürlüklü X-ışını Kristal Görüntüleme Spektrometre (HIREXSR), uzamsal bir Tokamak orta atom numarası elemanlarının hidrojenkarbonat ve helyum gibi iyonları görüntülemek için kullanılan X-ışını spektrometresi görüntüleme yüksek dalga boyu çözünürlüğü çalışmasını sunuyor plazma.
HIREXSR Alcator C-Mod, sırasıyla 0.67 m 0.22 m majör ve minör yarıçaplı bir TOKAMAK füzyon cihazda dağıtılır. Genellikle döteryum plazmaları 20 10 x 0,2-8,0 arasında m ortalama yoğunlukları ile ~ 2 sn süren çalışır -3 </su1-9 keV 3 arasında p> ve merkezi elektron sıcaklıkları. Bu koşullar altında, yüksek Z değerli safsızlık elemanlarının orta yüksek oranda iyonize olur, ve önlemler HIREXSR X-ışını aralığı içinde yayılır. İyi teşhis laboratuvar plazmalar elde edilen X-ışını spektrumları atomik kod modellemesi Kıyaslama diğer bağımsız teşhis 4 mevcut olmadığında plazma parametrelerini belirlemek için bu tür spektrumları kullanımını haklı göstermek için önemlidir.
Her spektrometre istenen kullanım için inşa edilmiştir. Buna göre, makine ve ilgili kavramlar hakkında genel bir açıklama tamamen bu güçlü araçlar 5 kavramak gereklidir. Bir foton bir kristalin bitişik katmanları yansıyan ve dalga boyu katı olan mesafe hareket ederken Bragg yansıması oluşur. 1 bu olguyu tasvir etmektedir. Bu durum n yeniden sipariş denklemi nX = 2 d sin θ b ile ifade edilirflection, λ fotonun dalga boyu, D kristal ve θ b bitişik tabakaları arasında ayrım Bragg açısı olmasıdır. Λ ve θ b arasında bir yazışma A birini gösterir aynı dalga boyuna sahip dedektör uçağı seyahat belirli bir noktada tüm fotonların söyledi. Ancak uygulamada, Bragg açısı sapma olarak tezahür emilim ve hassas sınırlamaları. Bu sallanan 6 eğrisi ile temsil edilen önemli bir yapıcı girişim üretmek açıları sadece küçük bir aralık ile sonuçlanır. 2, bir kalsit kristali için bir örnek eğridir Şekil.
HIREXSR bir küresel bükülmüş kristal 7 ile Johann spektrometre olduğunu. Cihazın böyle bir tarif etmeden önce, daha basit, yuvarlak spektrometrenin tartışma uygundur. Bu set up kendi Bragg için açılarında gelen fotonları yansıtan bükülmüş kristal oluşurTek X-ışını foton sayma piksel dedektörleri bir dizi koğuşta. Şekil 3'te gösterildiği gibi, kristal ve dedektör Rowland çevreye teğet yerleştirin. Rowland dairenin çapı kristalin kavis yarıçapına eşittir. kristal üzerindeki herhangi bir noktaya çevresi üzerinde belirli bir noktada bütün ışınlar kristal kendisine göre aynı olay açısına sahiptir.
. Şekil 4'te gösterilen HIREXSR, meridyonel düzlemde küresel bükülmüş kristal izin uzaysal çözünürlük olması durumunda, meridional odak noktası F, m tanımlandığı gibidir: R ° eğrilik yarıçapı Fm = R ° sin θ B, kristal. – F m / cos 2 θ b f s =: sagittal odak f s olarak tanımlanır. Spektrometre Δ x uzamsal çözünürlük verilirtarafından: 
, L, C kristal ve plazma arasındaki mesafedir ve D kristal yüksekliğidir. Kristal katmanlar 2 boyutlu boşluk ayrı olduğu için, bir malzeme seçimi, bu göz önüne alınması gerekmektedir. Dedektör yüzeyleri düzlemsel olduğundan, onlar sadece tespit ışınları Rowland çember üzerinde bunlara karşılık gelen noktalar üzerinde tam iniş olmadığı için dolayısıyla hata yol açan bir noktada Rowland daireye teğet olabilir. Fiziksel olarak, bu hiza dedektör belirli enerji foton "bulaşması" olarak tezahür eder. Bu Johann hata olarak tanımlanır 
L kristalin genişliği olduğu. Dedektör piksel genişliği Ax p Johann hatası daha büyük ise, spektral çözünürlük bunun bağımsızdır. onlar bir Eğerkarşılaştırılabilir büyüklükte yeniden, daha sonra toplam hata ile tahmin edilebilir 
. Kristal spektrometresi çözme gücü ile verilir: 
, nerede 
. Şekil 5'te gösterildiği gibi, yerine HIREXSR Ancak Rowland daire üzerindeki bir noktaya dedektör teğet yerleştirme detektörü olup, tayf aralığında doğruluğunu kurban biraz açılıdır. Bu hata analizi deneysel olarak doğrulanmış olup, beklenti 8 uygundur.
Bir Johann spektrometre tasarlarken dikkate alınması gereken iki önemli parametre vardır. Birincisi, görüntüleme aralığı spektrometre gözlemleyerek ne olacağını belirler. plazmalar eğitim için, poloidal ve toroi kaynaklanan hat kaymalar arasında ayırt etmek için, tüm kesit görünümüdür yüksek ölçüde arzu edilirdal rotasyon. HIREXSR bu bütün plazma görüntüleyebilir şekilde monte edilir, ve doğru toroidal ölçümler için izin vermek için (Şekil 6'da gösterilen) ~8 ° eksen dışı biraz eğimlidir. İkincisi, zaman çözünürlüğü spektrometre kaydedebilirsiniz olaylar arasındaki minimum süre düzenler. Alcator C-Mod için arzu değerleri enerji ve parçacık hapsi süreleri daha kısa 20 altında msn vardır. HIREXSR kullandığı 20 msn ya da daha büyük 6'dan bir zaman çözünürlüğü destekleyen X-ışını sayma piksel detektörleri 9. Tablo 1 modül özellikleri her özetlemektedir.
Pertürbatif plazma çalışmaları için, Alcator Cı-MOD lazer blöf sistemi hassas zamanlama 10 birden fazla ablasyon sunmak için kullanılır. lazer Nd: 10'a kadar Hz'de çalışan YAG (neodimyum-katkılı itriyum alüminyum lal taşı). Odaklanır Şekil 7 ve steers gösterildiği gibi lazer uzaktan kumandalı optik trende olayı olduğunuslayt üzerinde istediğiniz yere ışın. Lazerin spot boyutları enjeksiyon plazma bozmayan şekilde kontrol edilmesi gerekir. Uzun bir odak uzunluğu (1.146 mm) olan yakınsak mercek ablasyon spot çapı ~ 0.5 7 mm arasında değişir izin vermek için uzaktan kumandalı bir doğrusal platform ile optik eksen boyunca çevrilmiştir. Hızlı ışın direksiyon 2B piezoelektrik ayna aracılığıyla elde edilir. Bu piezoelektrik sistem RS232 tahrik aynaya monte edilir yetenekli monte edin. Nd ek olarak: YAG lazer, bir 633 nm diyot lazer ana (kızılötesi) kirişin yerini belirtmek için kullanılır. kirişler Önce aynanın doğrusal olan edilmesi için yapılır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu teknikle üretilen veriler Deneysel çalışmalar bir çok çeşitli kullanılabilir. İyon sıcaklık ve toroidal hız profilleri içsel kendi ürettiği plazma rotasyon ve yerel olmayan pertürbatif etkileri dahil ulaşım çalışmaları, geniş bir yelpazede kullanılabilir. Howard ve diğ., 2011 10 yapıldığı gibi lazer blöfü yoluyla enjekte kirliliklerin spektrumları ölçülmesi de, plazmada kirliliklerin ulaşım hakkında önemli bilgiler sağlayabilir. Bu zamanda, x-ışını gör?…
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).
