Bruk av X-ray Imaging Crystal spektroskopi for bruk som en High Temperature Plasma Diagnostic

Summary

X-ray spektra gir et vell av informasjon om høy temperatur plasmaer. Dette manuskriptet viser driften av en høy bølgelengde oppløsning romlig avbildning av røntgen spektrometer brukes til å vise hydrogen og helium-lignende ioner av mellomatomnummer elementer i en tokamak plasma.

Abstract

X-ray spektra gir et vell av informasjon om høy temperatur plasmaer; for eksempel elektron temperatur og tetthet kan utledes fra linje intensitetsforhold. Ved å bruke et spektrometer Johann viser plasma, er det mulig å konstruere profilene til plasma parametre som tetthet, temperatur, hastighet og med god romlig og tidsoppløsning. Imidlertid, fastslå atomære Kode modellering av røntgen-spektra erholdt fra brønn-diagnostiserte laboratorie plasmaer er viktig for å rettferdiggjøre bruken av slike spektra for å bestemme plasmaparametere når andre uavhengige diagnostikk er ikke tilgjengelige. Dette manuskriptet presenterer driften av High Resolution X-ray Crystal Imaging Spectrometer med romlig oppløsning (HIREXSR), en høy bølgelengde oppløsning romlig bildebehandling røntgenspektrometeret brukes til å vise hydrogen- og helium som ioner av mellomatomnummer elementer i en tokamak plasma. I tillegg dekker dette manuskriptet en laser blow-off system som kan innføre slike ionertil plasmaet med presis timing for å tillate perturbative studier av transport i plasma.

Introduction

X-ray spektra gir et vell av informasjon om høy temperatur plasmaer; for eksempel elektron temperatur og tetthet kan utledes fra linje intensitetsforhold. Ved å bruke et spektrometer Johann viser plasma utenfor aksen, er det mulig å konstruere profilene til plasma parametre som tetthet, temperatur og hastighet på innsiden av plasma med god romlig og tidsoppløsning ^1,2. Dette manuskriptet presenterer driften av High Resolution X-ray Crystal Imaging Spectrometer med romlig oppløsning (HIREXSR), en høy bølgelengde oppløsning romlig bildebehandling røntgenspektrometeret brukes til å vise hydrogen- og helium som ioner av mellomatomnummer elementer i en tokamak plasma.

HIREXSR er utplassert på Alcator C-Mod, en tokamak fusjon enhet med større og mindre radius på 0,67 m og 0,22 m henholdsvis. Den opererer typisk med deuterium plasmaer varig ~ 2 sek med gjennomsnittlig tetthet mellom 0,2 til 8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 tre. Under disse betingelser blir middels til høy Z forurensningselementer sterkt ionisert og stråler i røntgenspekter som HIREXSR tiltak. Referansemåling atom kode modellering av røntgen-spektra erholdt fra brønn-diagnostiserte laboratorie plasmaer er viktig for å rettferdiggjøre bruken av slike spektra for å bestemme plasmaparametere når andre uavhengige diagnostikk er ikke tilgjengelig ^4.

Hver spektrometer er bygget for dens ønskede bruk. Følgelig er en generell beskrivelse om maskinen og dens beslektede begreper er nødvendig for å fullt ut forstå disse kraftige verktøyene ^5. Bragg-refleksjon inntreffer når et foton reflekteres fra tilstøtende lag av en krystall og reiser en avstand som er et multiplum av dens bølgelengde. Figur 1 viser dette fenomen. Denne tilstanden er uttrykt ved ligningen nλ = 2 d sin θ _b, der n er rekkefølgen av gjenlysreflekterende, er λ bølgelengden til fotonet, d er avstanden mellom tilstøtende lag av krystallen og θ _b er Bragg-vinkelen. En til en overensstemmelse mellom λ og θ _b angir at alle fotoner ved et bestemt punkt av detektorplanet for med den samme bølgelengde. I praksis er imidlertid absorpsjons- og presisjon begrensninger manifest som et avvik fra Bragg-vinkelen. Dette resulterer i bare et lite område av vinkler som produserer betydelig konstruktiv interferens, representert ved en gynge kurve ^6. Figur 2 er et eksempel på en kurve for kalsitt krystall.

HIREXSR er et Johann spektrometer med en sfærisk bøyd krystall ^7. Før beskrivelse av denne type enhet, en diskusjon av en enklere, sirkulær spektrometer er hensiktsmessig. Dette settet opp består av en bøyd krystall som reflekterer innkommende fotoner ved deres respektive Bragg-vinkler for åavdelinger en rekke enkle røntgen foton telling piksel detektorer. Krystallen og detektoren lå tangenten til sirkelen Rowland, som vist i figur 3. Diameteren på Rowland sirkelen er lik krumningsradien av krystallen. Alle stråler fra et gitt punkt på omkretsen til hvilket som helst punkt på krystallen har samme innfallende vinkel i forhold til krystall selv.

. I tilfelle av HIREXSR, en sfærisk bøyd krystall tillater romlig oppløsning i den meridionale flyet, vist i figur 4 er definert Den meridionale fokus f _m som: f _m = _Rc sin θ _b, hvor R _c er radien for krumningen av krystallen. Sagittal fokus f _s er definert som: _fs = - f _m / cos 2 θ _b. Den romlige oppløsning av spektrometeret Δ x er gittav: , Hvor L _cp er avstanden mellom krystallen og plasma, og d er høyden av krystallen. Fordi den 2-dimensjonale avstanden mellom de krystall lagene er atskilt, må dette tas i betraktning ved valg av materiale. Siden detektor overflater er plane, kan de bare være tangent til Rowland sirkel på ett punkt, som dermed gir opphav til feil siden de detekterte strålene ikke er landing nettopp på de tilsvarende punkter på Rowland sirkel. Fysisk, manifesterer denne forskyvning som en "smearing" av fotoner av spesifikk energi på detektoren. Dette Johann feilen er definert som , Hvor l er bredden av krystallen. Hvis detektoren piksel bredde AX _p er mye større enn den Johann feil, da den spektrale oppløsningen er uavhengig av den. Hvis de enre av sammenlignbar størrelse, så den totale feilen kan tilnærmes ved . Oppløsningsevne av krystallen spektrometeret er gitt ved: , hvor . I stedet for å plassere detektoren tangent til et punkt på sirkelen Rowland imidlertid i HIREXSR detektoren er vinklet for å ofre nøyaktigheten for spektralområde, som vist i figur 5. Har denne feilanalyse blitt eksperimentelt verifisert og er i overensstemmelse med forventningene ^8.

Det er to viktige parametere for å vurdere når du utformer et Johann spektrometer. Først bestemmer bildeområdet hva spektrometeret skal observere. For å studere plasma, er det meget ønskelig for å vise dens hele tverrsnittet for å skille mellom linjeskift som forårsakes av poloidal og toroidal rotasjon. HIREXSR er montert slik at det kan vise hele plasma, og vippes litt utenfor aksen av ~8 ° (illustrert i figur 6) for å muliggjøre nøyaktige målinger toroidal. For det andre regulerer tidsoppløsning på minimum tid mellom hendelser som spektrometeret kan ta opp. For Alcator C-Mod, ønskelige verdier er under 20 ms, kortere enn energi- og partikkelbegrensnings ganger. Røntgentellebildeelementdetektorer som HIREXSR anvendelser kan støtte en tidsoppløsning på 6 til 20 msek eller større ^ni. Tabell 1 oppsummerer alle de modul spesifikasjonene.

For perturbative plasma studier, laser blow-off system på Alcator C-Mod som brukes til å levere flere ablations med presis timing ^10. Laseren er en Nd: YAG (neodymium-dopet yttrium aluminium granat) opererer med opp til 10 Hz. Laseren er innfallende på en fjernstyrt optisk tog som vist i figur 7 som fokuserer og styrerstrålen til ønsket sted på lysbildet. Spot størrelser av laseren trenger å bli styrt slik at injeksjonen ikke forstyrrer plasmaet. En lang brennvidde (1146 mm) samlelinse er oversatt langs den optiske aksen via en fjernstyrt lineær scenen for å tillate tyreoideaektomi spot størrelser varierer fra ~0.5 til 7 mm. Fast strålestyring oppnås via en 2D piezoelektrisk speil. Dette piezoelektrisk system er montert på en RS232 drevet speil montere stand. I tillegg til Nd: YAG laser, er en 633 nm laser diode brukes til å indikere plasseringen av hoved (infrarød) stråle. Bjelkene er gjort til å være kollineære gjennom det første speilet.

Protocol

1. Velge Passende spektrallinjer

1. Velg riktige emisjonslinjer som vil avgjøre kvaliteten på innhentet data. Figur 8 viser hvilke edle gass emisjonslinjer vil være relevante ved forskjellige verdier for elektronet temperatur.
   1. Merk at ionisering statlige og linjeforhold er bestemt av konkurransen av ionisering, collisional eksitasjon, strålings rekombinasjon og dielektrisk rekombinasjon. Disse prosessene kan variere med plasma temperatur og tetthet. Se figur 9 for et eksempel på denne variasjonen.
2. Se øvrige publiserte arbeider for bølgelengder og relative styrken av emisjonslinjer av interesse. I denne protokollen, bruker mellom Z He-lignende ioner som kjennetegnet ved Rice, JE et al. (2015) ^4. Se figur 10 for et eksempel spektrum.
3. Legg merke til at det er viktig å studere satellitter fra linjene utenfor hovedserien, som de could være uløst med linjer som blir målt. Noen iboende urenheter (Fe, Mo, ​​Ti, etc.) vil alltid være til stede fra plasma vendt struktur og komponenter i tokamak. For eksempel, figur 11 antyder argon Ly _α1 er et bedre valg enn den Ly _α2 linje siden sistnevnte overlapper med en molybden linje.
4. For plasmaer i temperaturområder rundt 0,5-3 keV, fange følgende Han lignende linjer for argon (alle fra n = 2 overganger): resonans (w, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ^en P _1), forbudt (z, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ S _1), og intercombination (x, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P ₂ og y, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P _1). For argon n = 2 overganger, ligger H-lignende spektrum mellom 3,72 Å <λ <3,80 Å og He-lignende spectrum ligger mellom 3,94 Å <λ <4,00 Å. Se figur 11 og figur 12 for plott av disse spektra.

2. Montering av HIREXSR Hardware

1. Se de relevante publiserte arbeider for detaljer og nærmere detaljer om montering og bygge HIREXSR ^1,2,5. Denne delen vil fokusere på de viktigste og mest kritiske trinn i denne prosedyren.
2. Mount HIREXSR på en av racetrack-formet havnene Alcator C-Mod, vinklet for å gi rom for en 8 ° off-diagonal visning.
3. Skaff en sirkulær (102) -quartz krystall med et 4,56215 en 2D avstand, en diameter 50 mm, og en radius 1385 mm av krumning for å se H-lignende spektrum.
4. Oppnå en rektangulær (102) -quartz med en 4,56215 Å 2D avstand, til en bredde på 64 mm og en høyde på 27 mm vise He-lignende spektrum.
5. Sett inn og montere både krystaller inne i huset av HIREXSR ved å gå spektrometeret boliger gjennomluken som ligger på sin side. Se figur 13 for sin layout.
6. Gjennom samme luke, bolt de fire detektorene på de utpekte bevegelige mounts i spektrometeret kroppen, reservere en detektor for H-lignende spektrum, og de tre andre for He-lignende spektrum. Dette arrangementet er illustrert i figur 14.
7. Plasser festene 125 cm borte fra krystallene slik at den linje fra sentrum av krystaller til det i detektorene danner en vinkel θ _b / 2 med linje fra sentrum av Rowland sirkelen til midten av krystallen, hvor θ _b er Bragg-vinkelen på midten av spekteret blir målt. Se figur 5.
   1. Merk at for argon, H-lignende krystall brukes resultatene i θ _b = 55,5 °, og han lignende krystall brukes resultatene i θ _b = 60,5 °.
8. Vinkel detektorene å matchemodifisert arrangement vist i figur 5.
   1. Legg merke til at den nøyaktige justering av detektorene er ikke viktig, da de innsamlede dataene blir kalibrert mot en kjent kilde i løpet av forsøkskjøringen.
9. Separat HIREXSR er helium atmosfæren fra tokamak vakuum ved å installere en 0.001 "tykk og 4" diameter beryllium vinduet. Se figur 13 for oppsettet.
10. Installere en 10 "sluseventil mellom vinduet og reaktoren for å beskytte seg mot feil i beryllium vinduet.
    1. Legg merke til at sluseventilen skal lukkes når det lokale trykket stiger over 10 mTorr for å unngå skade på både spektrometer og tokamak.
11. Se Figur 6 og Figur 15 for top-down og sidevisninger, henholdsvis av HIREXSR og Alcator C-Mod, sammen med relative avstander på detektorene og krystaller, og mellom spektrometer og tokamak.

1. Se de relevante publiserte arbeider for detaljer og nærmere detaljer om byggingen av laser blow-off apparat ^10.
2. Å injisere kalsium, ta en 2 mikrometer CaF _to lysbilde med 100 av krom (til hjelp i laser absorpsjon i materialet) og plasser raset i laseren blow-off system. Siden dette krever tilgang til C-Mod reaktoren, gjør dette før driften starter for dagen.
3. Bytt til kanal 14 på Alcator C-Mod er lukket krets TV-systemet for å se en svart og hvit CCD kamera som overvåker raset. Den 633 nm diodelaserpunkt skal være synlig på lysbildet.

4. Kjøre en Plasma Experiment

1. I begynnelsen av kjøringen dagen, starte skriptet som vil samle inn og lagre data fra røntgen telling piksel detektorer for hver forsøkskjøring, eller "skutt". Dette vil avhenge av den spesifikke detektoren oppsett i place. Trinnene er spesifikke for HIREXSR er presentert her.
   1. Fra en arbeidsstasjon i C-Mod kontrollrommet, få opp en kommandolinje terminal.
   2. Koble til en detektor eksternt ved å skrive "ssh -X Det @ dec0xx", der xx varierer 07-10.
   3. Endre kataloger ved å skrive "cd p2_1mod"
   4. Kjør kommandoen "runtvx". Dette vil få opp et vindu som vil snøskred med tekst.
   5. Når teksten stopper, trykk enter to ganger. Oppstartsskriptet vil sette bildefrekvensen til 50 Hz og terskel energi til ~ 2 keV. En annen skred av tekst vil skje og detektorene vil begynne kalibrering.
   6. Vent til alt dette ender, og skriv inn "exit" i vinduet.
   7. Gjenta for hver detektor 07-10.
2. I løpet av dagen, opprettholde en heliumatmosfære i HIREXSR litt over omgivelsestemperatur ved kontinuerlig å pumpe gassen inn i huset for varigheten av operasjonen. Dette reduserer stemnings X-ray attenevaluering og termisk utvidelse av krystallen.
3. Samarbeid med on-site ingeniører for å sikre at plasma når de ønskede plasma parametre under den kommende skudd. Hvis parameterne er å endre fra skudd til skudd, kommunisere dette til ingeniører mellom hvert skudd.
   1. I tillegg, en gang under kjøringen dag, be om en "låst modus" omtrent fra ingeniører for kalibrering av data tatt denne dagen. Se Reinke et al. 2012 ¹ for en forklaring på låste modiene og hvordan de blir brukt til kalibrering.
4. For perturbative transportstudier: Før hvert skudd, program laseren blow-off system for å injisere den ønskede konsentrasjonen av ikke-resirkulering urenheter (CAF _2, Sc, etc.) i plasma ved ønskede tider.
   1. Bestem deg for en laser spot størrelse, som kontrollerer mengden av materiale ablated fra raset. Fra operativ erfaring på Alcator C-Mod, omtrent 10% av ablated kompisrial gjør det i plasma kjernen under lavt strømforbruk drift ^10. Typiske spot størrelser variere fra 0,5 til 3,5 mm.
   2. Bestem de ønskede blow-off timings, med tanke på maksimal 10 Hz drift hastighet.
   3. Skriv inn ønsket spot størrelse og timings til laseren blow-off system kontroll GUI. For eksempel, transport studie av Rice et al. 2013 ¹¹ varieres punktstørrelser fra 0,5 til 3,5 mm, og hadde injeksjoner hver 300 msek.
5. For alle studier: Still gassventilen til puff argon i plasma 0,3 sek etter at plasma starter. Den drag bør vare omtrent 0,1 sek og heve argon tettheten til ca. 10 ^-4 ganger elektrontettheten.
6. Bruk dwscope å se live diagnostiske data under kjøringen dagen for systemer som bruker MDSplus, for eksempel C-Mod.
   1. Fra en arbeidsstasjon i tokamak kontrollrommet, åpen dwscope fra programmenyen
   2. Skaff en eller flere omfang filer med relevante diagnostikk vist fra another bruker, eller opprette egendefinerte som bruker den MDSplus treet Command Language (avansert).
   3. Klikk "Tilpass | Bruk lagrede innstillinger fra ..." og velg et omfang fil å laste den. Et nyttig eksempel omfang, plasma_n_rot_z.dat, er vist med dwscope GUI i Figur 16.
   4. La tekstboksen i bunnen bar blank og data vil bli lastet fra den siste skudd.
   5. Dersom det er ønskelig, angir et skudd nummer og klikk "Apply" for å laste data fra en bestemt skudd.
7. Informere de tekniske operatørene som alle forberedelsene til den kommende skudd er fullført, og at de kan fortsette å tenne plasma.
8. Vent for operatørene å initiere plasma og for det til slutt. I Alcator C-Mod, vil initiering prosessen vare rundt 3 min og plasma vil brenne for mindre enn 10 sek.
   1. Hvis du bruker laseren blow-off system, visuelt bekrefte lysbilde ablasjon via kameraets visning av lysbildet (se avsnitt 3).
   Vent til tokamak avkjøles for å gå videre til neste skudd. I Alcator C-Mod denne prosessen vil vare i 10-15 min.
   1. Bruk denne tiden til å gjøre noen endringer i det eksperimentelle satt opp og kommunisere dem til operatørene, slik at de kan brukes senere, om ønskelig.
9. Merk at hvis endringer i maskinvaren er ønsket, bør forskerne be om en "celle" til operatørene, hvor de vil åpne tokamak og frigjøre andre sikkerhetsfunksjoner for å tillate folk å gå inn Alcator C-Mod omgivelser. Ellers er ubegrenset tilgang tilgjengelig før og etter løp dagen. Hardhats skal alltid brukes når du arbeider nær reaktoren.
10. Bruk dwscope som før for å gjennomgå eventuelle ønskede plasma diagnostikk etter kjøringen dag har konkludert.
    1. Merk at data kan også bli aksessert gjennom ulike MDSplus APIer for ulike språk.

5. Kalibrering avHIREXSR låst modus data Bruke THACO

1. Bruk HIREXSR Analyse Code (THACO) for å invertere HIREXSR data, som er linje integrert ^12. Referanse og detaljert oversikt for alle disse trinnene kan bli funnet på nettet i upublisert THACO Manual på MIT Plasma Science and Fusion senter (PSFC) online bibliotek. Denne delen dekker førstegangs oppsett og lansering av THACO, etterfulgt av kalibreringsprosessen.
2. Følg instruksjonene på Alcator C-Mod wikiside for THACO å sette opp THACO for første gangs bruk på en maskin som er koblet til PSFC nettverk. Du kan også trenge å be om skrivetilgang til spektroskopi treet fra nettverksadministratoren.
3. Skriv "IDL" i en kommandolinje fra å starte IDL kommandolinjegrensesnitt.
4. Fra IDL Skriv @ thaco.bat 'å lansere THACO.
5. Identifisere en låst modus for å bli brukt for kalibrering av dataene.
   1. Åpne en nettleser og gå til PSFC loggbok.
   2. Klikk på & #34, tilpassede søket "-knappen for å få opp en søkeside.
   3. I den tilpassede søket tekstboksen, skriv "SHOT LIKE '1yymmdd %%%' og tekst som"% låst modus% ' », der ååmmdd er år / måned / dag av kjøringen dag, for å få opp loggoppføringer som inneholder teksten låst modus.
   4. Bestem skutt antall låst modus fra loggoppføringene, og legg merke til låst modus start / sluttider.
   5. Merk at det å ha en låst modus baseline er strengt tatt ikke nødvendig for alle diagnostikk, som de som involverer forhold linje som å bestemme elektronet temperatur ^13, men er sterkt anbefalt siden Bragg-vinkel kan skifte fra dag til dag på grunn av det krystallgitteret utvider seg / krymper ¹⁴ .
6. I THACO GUI, gå inn i låst modus skutt nummer i tekstfeltet "(AKTIV) SHOT", og trykk enter.
7. Trykk på knappen "LAUNCH W_HIREXSR_CALIB" og starte kalibreringen widget.
   1. I vinduet thpå dukker opp, må du kontrollere at feltet merket "SHOT" inneholder låst modus skutt nummer, og legg merke til nummeret i "modul". Trykk enter etter at eventuelle endringer er gjort i alle felt.
   2. Klikk på "Last ned" knappen i den øverste tredjedel av vinduet og venter på at data skal lastes.
   3. Klikk på "Load" i midtre tredjedel av vinduet og vente på mer data som skal lastes.
   4. Hvis data er lastet inn og passe ellipser ser bra ut, gjenta kalibreringen takt med et annet nummer i "modul" -feltet (1-4), som låst modus skudd har allerede blitt kalibrert.
   5. Hvis alle moduler (1-4) har allerede blitt kalibrert, hoppe over resten av trinnene kalibrering og detektor justerings siden skuddet har allerede blitt kalibrert, og gå direkte til § 6.
8. Begynn spektral montering ved å velge det aktuelle alternativet i øvre høyre hjørne av vinduet. Bare H-aktig og He-lignende Ar og Ca-spektra enre støttet ut av boksen i dag.
   1. Sett "t1 =" og "t2 =" felt til låst modus start / sluttider henholdsvis som er nevnt i dagboken.
   2. Flytt "FIT LOW" og "passe høye" slidere til regionen i form, merket med stiplede hvite linjer oppå spekteret øverst til venstre, inneholder kun den regionen der spektrallinjene av interesse er synlig løst.
   3. Klikk på "FIT / LAGRE SPECTRA" knappen og vent til den tilpasningsprosessen er ferdig.
   4. Når tilpasningsprosessen er ferdig, brukte "SPEC" slider eller venstre / høyre pil ved siden av seg i midtre tredjedel av GUI å visuelt inspisere alle de spektrale passer.
   5. Fjern eventuelle dårlig eller avvik passer ved å sjekke "BAD" boksen ved siden av "SPEC" slider. Referanse verkene funnet i trinn 1.3 for sammenligning mot kjente spektra. For eksempel, vil han lignende Ca spektra ligne Figur 10.
   6. Begynn ellipse montering ved å velge den ønskede linje (w, x, y, z) fra den nedre tredjedelen av det grafiske brukergrensesnittet.
      1. Klikk på "FIT ellipser" knappen og vent til ellipser å være passe til de spektrale passer.
      2. Flytt "lav", "High", og "OUTL" slidere til ellipsen passe visuelt matcher spektra. Ellipsene er passe med en ikke-lineær minste kvadraters metode MPFIT ^15, som kan være ustabile.
      3. Klikk på "SAVE ellipser" -knappen når du er ferdig, og gjentar prosessen med neste ønsket linje.
      4. Når alle linjene har vært i god form, endre "MODULE" til en annen modul (1-4) som ikke har blitt kalibrert ennå, og trykk enter, og fortsett på nytt fra trinn 5.7.1.
      5. Når alle modulene er kalibrert, klikk på "QUIT" -knappen (ikke 'x') for å lukke widget.
   7. Trykk på knappen "LAUNCH W_HIREXSR_DET_ALIGN" for å starte detektoren justering widget. <ol>
   8. I "SHOT" feltet skriver du inn skudd antall av en nylig kjent låst modus som allerede er kalibrert og trykk enter. Legg merke til "modul" -feltet.
   9. Klikk på "Last ned" knappen og vent på at data skal lastes inn.
   10. I nedre venstre hjørne, skrive ned alle skyve verdiene i "DETEKTOR POSITION" panel.
   11. I "SHOT" feltet skriver du inn skudd antall låst modus blir kalibrert og trykk enter.
   12. Klikk på "Last ned" knappen og vent på at data skal lastes inn.
   13. Skriv inn verdiene skrevet ned tidligere i "DETEKTOR POSITION" panel og trykker ENTER etter hver endring.
   14. Endre verdiene i "DETEKTOR POSITION" panel, enten gjennom skyvekontrollene eller ved å manuelt endre verdier i tekstboksene, til alle eller de fleste av de sirkulære restene ligge innenfor den grønne linjen.
   15. Endre "MODULE" -feltet til en modul (1-4) som ikke har blitt justert ennå, og press delta. Deretter fortsetter fra trinn 5.10.1.
   16. Når alle modulene er justert, klikk på "QUIT" -knappen (ikke 'x') for å lukke widget.
   17. Kalibrering er nå gjort; fortsett til punkt 6 med låst modus skudd.

6. Avansert Analyse av HIREXSR data Bruke THACO

1. Bruk HIREXSR Analyse Code (THACO) for å invertere HIREXSR data, som er linje integrert ^11. Referanse og detaljert oversikt for alle disse trinnene kan bli funnet på nettet i upublisert THACO Manual på MIT Plasma Science and Fusion senter (PSFC) online bibliotek. Denne delen dekker den faktiske inverse prosessen for å se profildata.
2. Bestem skudd nummer for den skutt av interesse.
3. Fra THACO GUI, satt feltet "(AKTIV) SHOT" til skudd nummer, og trykk enter. GUI bør erkjenne endringen i loggen på bunnen.
4. Velg den spektrale linje av interesse, still feltet &# 34;. LINE "til linjen antall interesse for argon, vil dette vanligvis være to for He-lignende z linje, og 3 for H-lignende lya1 linje.
   1. Klikk "LIST THACO linjenummer" for å liste opp alle linjenumrene tilgjengelig.
5. Klikk på "binning" -kategorien i den øverste delen av GUI.
   1. Klikk "SJEKK THT LEDIG" for å sjekke THACO treet (THT) tilgjengelighet. Den nederste delen av GUI skal logge alle tilgjengelige THACO trær.
   2. Sett feltet "nye THACO tre (THT) nummer" til det første nummeret ikke er oppført i tilgjengeligheten.
   3. Klikk på "Create" knappen for å lage en ny THT så forrige analyse er ikke overskrevet.
   4. Klikk på "CHECK THT TILGJENGELIGHET" igjen for å oppdatere listen over tilgjengelige thts.
   5. Endre "THT" feltet ved siden av "(AKTIV) SHOT" feltet til den nyopprettede THT nummer, og trykk enter. Det grafiske log bør erkjenne denne handlingen.
6. Hvis tHan nåværende skudd er ikke en låst modus, klikk på "CALIB" -kategorien i den øverste delen av GUI.
   1. Endre "kalibreringsdata fra skudd" til låst modus for å bli brukt til å kalibrere dataene.
   2. Trykk på "KOPI" knappen for å kopiere over kalibreringen.
7. Klikk på "binning" fanen igjen.
   1. Se i THACO håndboken for instruksjoner om å lage tilpassede binnings.
   2. Slik kopierer binning fra en tidligere analyse, skriv skuddet / THT i sine respektive felt (trykker ENTER etter hver endring) i panelet med "KOPI" knappen.
   3. Kopier over binning: Velg "grenen" og klikk "KOPI", velg deretter "BRANCH B" og klikk "COPY" igjen.
8. Klikk på "profiler" -kategorien i den øverste delen av GUI.
   1. Se i THACO håndboken for instruksjoner om hvordan du bruker de avanserte funksjonene som finnes i denne delen.
   2. Ellers skriv skuddet / THT froma forrige analyse i sine respektive felt (trykker ENTER etter hver endring) i toppanelet.
   3. Klikk på "LOAD RHO" -knappen, etterfulgt av "LOAD GOOD" -knappen.
9. Klikk på "RUN THACO" -knappen, og THACO vil starte inverse prosessen. Dette kan ta et par minutter.
10. Legg merke til at THACO faktisk går gjennom en rekke uavhengige trinn i løpet av denne prosessen: å kjøre et fler gaussisk form på spektrene til å beregne øyeblikk av ulike linjer, ved hjelp av de øyeblikkene for å beregne linje-integrert profildata, så invertere den linje-integrerte data gjennom en minste kvadraters metode. Mellom utgangene fra disse trinnene, nyttig for feilsøking, kan finnes i de øyeblikkene og profiler widgets. Interesserte brukere oppfordres til å se gjennom THACO håndboken for mer informasjon om denne fremgangsmåten og hvordan du bruker disse widgets for mer finkornet kontroll over inverse prosessen.
11. Når inversjon prosess finishes, fra "profiler" Klikk "LAUNCH_W_HIREXSR_PROFILES" til visuelt inspisere profilene.
    1. Trykk på "Last ned" knappen i "Tree I / O" panel nederst og vente på å laste inn dataene.
    2. Hvis den automatiserte prosessen mislykkes, finner "DO VENDINGER FOR" og klikk "ALL" for å raskt gjøre om alle inversjoner.
    3. inspisere manuelt inverterte profilene til høyre ved å bruke "TIME" slider nederst for å endre rammer.
    4. Hvis det er noen inverterte profilene som synes å være feil (for eksempel negative temperaturer, unphysical gradienter mot kanten, etc.), bruker - / + knappene ved siden av "CH #" for å velge uteligger kanaler på venstre, og fjern merket for "GOD" for å fjerne dem fra inversjon trinn.
       1. Legg merke til at utslippene har en tendens til å bli svakere mot kanten slik usikkerhet er høyere; imidlertid bør den omvendte temperaturen fortsatt gå til en liten (ikke nødvendigvis) zero verdi på kanten.
    5. Finn "DO VENDINGER FOR" og klikk "CURRENT" for å invertere profil for gjeldende ramme. Gjenta fjerne utliggere til den omvendte profilen virker riktig.
    6. Trykk "LAGRE" etter at dataene virker tilfredsstillende.
    7. Bruk profiler widget for å inspisere data.
12. Hvis ønskelig, klikk på "LANSERING W_HIREXSR_COMPARE" i kategorien "sammenligne" å sammenligne profiler konstruert fra ulike spektrallinjer. Et vanlig scenario der dette er nyttig er når plasmakjernetemperaturen blir varmt nok for argon H-lignende utslipp å kjøre forbi han lignende utslipp.
13. Merk at data kan også bli aksessert gjennom ulike MDSplus APIer for ulike språk. Se i THACO manual for de aktuelle banene.

Representative Results

En representativ prøve av data fra bildeelementdetektor for en tid bin for den He-lignende argon spektrum er vist på figur 17. Spektrallinjene, bøyde inn i en elliptisk form med den sfæriske krystall, er klart synlig. Den øverste Detektoren har brutt detektor panel, og det er noen døde piksler spredt over alle detektorene. Data fra den ødelagte detektoren panel bør ignoreres. Skiver fra detektoren som viser den målte spektra og resultatene av den spektrale passende gjøres ved THACO over en enkelt streng er vist i Figur 18 og Figur 19. Den resulterende linje integrert profildata er vist i figur 20.

Et eksempel på en invertert plasmatemperatur og toroidal hastighetsprofil laget av THACO fra He-som argon linjer kan sees i figur 21. De målte ion temperaturenefra HIREXSR enig med uavhengige diagnostikk i andre målekanaler ^1. Ved hjelp av argon, en resirkulering urenhet, gjør det mulig for ion-profiler som skal måles over hele utviklingen av plasmaet. Dette er avgjørende for transportstudier som i Rice et al. 2013 ^11, som studien plasma utviklingen over tid skalaer lenger enn urenhet sperring tid. Hvis detektorene i stedet ble posisjonert til å måle en forbigående urenhet, slik som kalsium, ville HIREXSR gi forbigående profildata. Se Howard et al. 2011 ¹⁰ for en slik studie.

Figur 1. Illustrasjon av Bragg refleksjon. Innkommende stråler vil reflektere og konstruktivt forstyrre basert på deres innfallsvinkel og bølgelengde. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2. Et gynge kurve for en Kalsitt krystall. Den svarte kurven er den best passer til de observerte data, mens den stiplede linjen er det idealiserte tilfelle hvor det ikke er noen absorpsjon.

Figur 3. En Johann Spectrometer med Bent Crystal. Innkommende stråler hendelsen på samme sted på omkretsen av sirkelen har samme innfallsvinkel på krystallen og ende opp på samme sted på detektoren. Klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

d / 54408 / 54408fig4.jpg "/>
Figur 4. En Johann Spectrometer med en Sfærisk Bent Crystal. Den sfæriske bøying av krystall muliggjør romlig oppløsning langs meridionale flyet, så spektra er fanget langs flere linjer-gjennomsnitt akkorder gjennom plasma. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5. Detektoren-krystall innretting brukes i HIREXSR. I HIREXSR, er vinklet litt fra standard ordning for å gi rom for en større spekter av bølgelengder som skal måles detektoren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6. Top-down CAD ​​View of HIREXSR. Dette DAK-tegning viser de relative posisjonene til de to detektoroppstillinger og spektrometeret krystall til tokamak vakuum fartøyet, som inneholder plasma. Synslinjen av spektrometeret er vinklet svakt off-aksen for å tillate rotasjon toroidal som skal måles gjennom dopplerforskyvning.

Figur 7. Utforming av Optical System. Denne figuren viser utformingen av det optiske systemet for laseren blow-off system fra Howard et al. ^10.

Figur 8. Delvis Charge State Overflod for ulike edelgasser. Denne tomten viser brøk ladetilstand abundancesav ulike edelgasser i koronalt likevekt. Fullt strippet stater er i vist med heltrukne linjer, H-aktig med stiplet, Han-aktig med strek-prikk og Ne-aktig med strek-prikk-prikk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9. Ca ^{18 +} K / W Lysstyrke prosenter. Den målte akkord-gjennomsnitt lysstyrke forholdet mellom dielectronic satellitt k til resonans linje w i Han-som Ca ^{18 +} (røde prikker) i forhold til den teoretiske kurven (grønn linje).

Figur 10. Målt Han lignende Ca ¹⁸⁺ Spectrum. Den målte han lignende Ca ¹⁸⁺ (w, x, y og z) spektrum med satell tes (mest fremtredende '4', '3', q, r og k) er vist med prikker. En syntetisk spektrum, beregnet med collisional-strålings modellering angitt med heltrukken linje.

Figur 11. Målt H-lignende Ar ¹⁷⁺ Spectrum. Den målte spekteret av Ar ¹⁷⁺ Ly _α dublett og nærliggende satellitter (grønne prikker), med syntetisk spektrum (rød linje). Legg merke til overlappingen mellom Mo ³²⁺ linje og den Ly _α2 linje.

Figur 12. Målt Han lignende Ar ¹⁶⁺ Spectrum. Målt røntgenspektra i nærheten av Ar ¹⁶⁺ w resonanslinjer. Merk logskalaen.

ure 13 "src =" / files / ftp_upload / 54408 / 54408fig13.jpg "/>
Figur 13. Intern riss som viser Krystaller og være vindu. Den beryllium vinduet (a) og krystaller (b) vises sett fra inne i huset. Be vindu er merket med grønt, sfærisk krystall med rødt, og den rektangulære krystall med lilla.

Figur 14. Internal View Viser detektorer. De tre detektor array for He-lignende spektra er vist til venstre i (a), og for H-lignende spektra er vist til høyre i (b). De tre detektorer som brukes for He-som spektra tillate fangst av spektra fra kjernen og kanten av plasma samtidig.

Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 16. Eksempel Utsikt dwscope. Denne figuren viser et skjermbilde av en forekomst av dwscope. Linje integrert data fra HIREXSR er markert med den røde boksen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 17. Eksempel Detector utgang. Figuren viser eksempel rådata samlet inn av devarslere enn en eneste gang bin for He-lignende (øverst, midten) og H-lignende (nederst) argon spektra. Y-aksen svarer til bølgelengden, og x-aksen for å meridional vinkel. Spektrallinjene, bøyd i en elliptisk form av sfærisk krystall, er godt synlig. Den øverste (1x gain) og bunn (2x gevinst) spektra er fra kjernen, og midt spektrum (8x gain) er fra kanten. De stiplede grønne linjer skille ulike regioner for spektral montering kode. Den øverste Detektoren har brutt detektor panel, og det er noen døde piksler spredt over alle detektorene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 18. Eksempel Collected H-lignende Spectra. Målt line-gjennomsnitt lysstyrke over argon H-lignende spektrum for enenkelt akkord og tid bin (øverst, hvit), svarende til en enkelt kolonne av bildeelementer i bunndetektoren på figur 17. Den fjernede bakgrunn er vist i grønt, og en multi-gaussisk form er vist i cyan. Den totale tilpasning sammensatte spektrum er vist ved den røde linje, og restene er i den nederste figuren. Merk avtalen med Figur 11.

Figur 19. Eksempel Collected He-lignende Spectra. Målt linje-midlet lysstyrke over hele argon He-spektrum som for en enkelt akkord og tid bin (øverst, hvit), svarende til en enkelt kolonne av bildeelementer i den øverste detektor i figur 17. den fjernet bakgrunnen vises i grønt, og en multi-Gaussian passform er vist i cyan. Den totale tilpasning sammensatte spektrum er vist ved den røde linje, og restene er i den nederste figuren.

Figur 20. Eksempel Linje-Integrert profil. Denne figuren viser et eksempel på linjen integrert data generert av THACO fra resultatene av linjen montering. Det må være tomographically invertert å returnere hele profilen.

Figur 21. Eksempel Inverted Plasma-profiler. Figuren viser eksempel data som har blitt invertert av THACO å produsere temperatur og toroidal rotasjons profiler. HIREXSR tillater både romlig oppløsning (langs y-aksen) og tidsoppløsning (langs x-aksen). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Sensortype	Omvendt partisk silisium diode matrise
sensor Tykkelse	320 mikrometer
pixel Size	172 mikrometer × 172 mikrometer
Format	487 × 195 = 94,965 piksler
Område	83,8 mm x 33,5 mm
Dynamisk rekkevidde	20 bit (1: 1.048.576)
Count pris per Pixel	> 2 × 10 6 røntgen / sek
Energy Range	3-30 keV
energi Oppløsning	~ 500 keV
Justerbar Threshold Range	2-20 keV
Timer Tid	2.7 msek
Maks bildefrekvens	300 Hz
Punktspredefunksjon	1 pixel
ekstern Trigger / gate	5 V TTL
Strømforbruk	15 W
dimensjoner	275 × 146 × 85 mm
Vekt	1 kg

Tabell 1. Detector Spesifikasjoner. Denne tabellen viser detektor spesifikasjoner som er relevante for utformingen av HIREXSR.

Discussion

De data som genereres av denne teknikken kan brukes i et bredt spekter av eksperimentelle studier. Ion temperatur og toroidale hastighetsprofiler kan benyttes i et bredt spekter av transport studier, inkludert iboende selvgenerert plasma rotasjon og ikke-lokale perturbative effekter. Måling av spektra av injiserte urenheter gjennom laserutblåsnings kan også gi viktig informasjon om transport av forurensninger i plasmaet, slik det ble gjort i Howard et al., 2011 ^10. På denne tiden, ingen andre plasma diagnostiske kan gi tid og romlig løst ion profildata fra plasma kjernen ^1, noe som gjør røntgenspektroskopi en ny metode for undersøkelser plasma oppførsel.

Den mest kritiske trinn i protokollen er identifikasjonen av spektrallinjer i bølgelengdeområdet av interesse. Det er viktig at linjene blir observert er sterk til å gi gode telling statistikk, og løst fra både hverandre og other satellitt linjer. Den relative styrken av disse linjene kan endre seg dramatisk med forskjellige temperaturer, og quantum prosesser som dielektrisk rekombinasjon kan ha målbare effekter.

Hvis spektrallinjene er svake, kan det være mulig å forbedre sin styrke ved å innføre mer av den målte urenheter. Hvis et annet område av bølgelengder som er av interesse, detektorene bare trenger å bli beveget langs den Rowland sirkel, så lenge Bragg-vinkelen er fortsatt mellom større enn 45 ° for å unngå divergerende stråler og mindre enn 80 ° for å forhindre interferens mellom innkommende og reflekterte fotoner. Bildefrekvensen av detektorene kan også endres til å være raskere eller langsommere. Detektoren teller ikke fotoner under avlesning tid, så brøkdel av fangede fotoner øker med lengre rammer, noe som åpner for bedre statistikk i de innhentede data.

Spektrometeret-reaktoren grensesnitt skal lekke tett til 10 ^-9 std cc /sek og i stand til å opprettholde et differensialtrykk på 1 atmosfære til en av sidene. Den beryllium vinduet er det ideelle valget for dette grensesnittet på grunn av sin høye styrke og god X-ray overføring koeffisient, som er rundt 40% for 3,1 keV røntgen. Den heliumatmosfære opprettholdt inne i huset av HIREXSR for å redusere røntgen dempning rundt ~ 1% av innkommende stråler. Den konstante pumping sørger for at ingen luft lekker inn i huset og forurenser den lokale atmosfæren. Disse systemene skal være dobbelt-sjekket for lekkasjer for å sikre røntgen gjøre det til detektorene.

En vakuumkammer ville være den ideelle huset for spektrometeret. Imidlertid er et slikt kammer meget kostbart og upraktisk å opprettholde en så stor spektrometer. Fremtidige forbedringer kan fokusere på å bruke nye teknikker eller nyvinninger for å skape et spektrometer-reaktor grensesnitt og lokal atmosfære som minimerer X-ray absorpsjon, eller forsøke å gjøre gjeldende eller lignende design billigere og more levedyktig.

Teknikken er begrenset av dens temperaturkrav, som plasma må være varmt nok til å ionisere urenheter av interesse, men kjølig nok til å tillate rekombinasjon. I tillegg er H-lignende og He-som ionisering tilstander foretrukket fordi deres spektra er mye enklere og lettere å karakterisere. Dette betyr at det er vanskelig å få data fra kjøleren kanten av plasma, og den kan kreve fysisk rekonfigurering av maskinen for å få nyttige data fra plasma over hele temperaturområdet for tokamak. Dessuten er teknikken noe begrenset av nødvendigheten av å kjøre kalibrerings skudd på grunn av termisk ekspansjon av spektrometeret krystall. Dette kan forbedres i fremtiden med bedre temperaturkontroll på krystall, eller andre nye kalibreringsteknikker.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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