Engineering

Aplicando raios-X de imagem de cristal Spectroscopy para uso como uma alta temperatura do plasma de diagnóstico

Published: August 25, 2016 doi: 10.3791/54408

Norman M. Cao¹, Andrés M. Mier Valdivia², John E. Rice³

¹Department of Nuclear Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, ²Department of Physics, Massachusetts Institute of Technology, ³Plasma Science and Fusion Center, Massachusetts Institute of Technology

Summary

espectros de raios-X fornecem uma riqueza de informações sobre plasmas de alta temperatura. Este manuscrito apresenta o funcionamento de uma alta resolução de comprimento de onda espacialmente Imaging Spectrometer de raios-X utilizado para visualizar os íons a hidrogénio e hélio-como de elementos de número atómico médio em um plasma de tokamak.

Abstract

espectros de raios-X fornecem uma riqueza de informações sobre plasmas de alta temperatura; por exemplo, temperatura eletrônica e densidade pode ser inferida a partir de relações de intensidade line. Ao utilizar um espectrómetro Johann visualização do plasma, é possível construir perfis de parâmetros do plasma, tais como a densidade, a temperatura e a velocidade com boa resolução espacial e temporal. No entanto, benchmarking modelagem código atômico de espectros de raios-X obtidos a partir de plasmas de laboratório bem-diagnosticados é importante para justificar a utilização desses espectros para determinar parâmetros de plasma quando outros diagnósticos independentes não estão disponíveis. Este manuscrito apresenta o funcionamento da alta resolução de raios-X de cristal Imaging Spectrometer com resolução espacial (HIREXSR), uma alta resolução de comprimento de onda espacialmente Imaging Spectrometer de raios-X utilizado para visualizar íons de hidrogênio e hélio-como de elementos de número atómico médio em um tokamak plasma. Além disso, este manuscrito abrange um sistema de purga de laser que pode introduzir tais iõesao plasma com timing preciso para permitir estudos perturbativas de transporte no plasma.

Introduction

HIREXSR é implantado em Alcator C-Mod, um dispositivo de fusão Tokamak com um raio maior e menor de 0,67 m e 0,22 m, respectivamente. Ele normalmente opera com plasmas de deutério duradoura ~ 2 seg com densidades médias entre 0,2-8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 3. Sob estas condições, o meio de elementos de impureza alta Z tornam-se altamente ionizado e irradiar na gama de raios-X, que HIREXSR medidas. Aferição modelagem código atómica de espectros de raios-X obtido a partir de plasmas de laboratório bem diagnosticados é importante para justificar o uso de tais espectros para determinar os parâmetros de plasma quando outros diagnósticos independentes não estão disponíveis ^quatro.

Cada espectrômetro é construído para seu uso pretendido. Assim, uma descrição geral sobre a máquina e seus conceitos relacionados é necessário para compreender plenamente essas ferramentas poderosas ^5. Reflexão de Bragg ocorre quando um fotão reflecte as camadas adjacentes de um cristal e percorre uma distância que é um múltiplo do seu comprimento de onda. A Figura 1 ilustra este fenómeno. Esta condição é expressa pela equação nλ = 2 d sin θ _b, em que n é a ordem de reflexão, λ é o comprimento de onda do fotão, d é a separação entre as camadas adjacentes do cristal e θ _b é o ângulo de Bragg. A correspondência um a um entre λ e θ _b indica que todos os fótons em um ponto específico da viagem de avião detector com o mesmo comprimento de onda. Na prática, no entanto, de absorção e de precisão limitações se manifestam como um desvio em relação ao ângulo de Bragg. Isto resulta em apenas um pequeno intervalo de ângulos que produzem uma interferência construtiva significativa, representada por uma curva de balanço ^6. A Figura 2 é uma curva de exemplo para um cristal de calcite.

HIREXSR é um espectrômetro de Johann com um cristal esfericamente dobrada ^7. Antes de descrever este tipo de dispositivo, uma discussão de um espectrómetro mais simples, circular é apropriado. Esta configuração consiste em um cristal curvado que reflete fótons pelo respectivo Bragg ângulos pararecção uma matriz de detectores de raios-X único fotão de pixels de contagem. O cristal e o detector de estabelecer tangente ao círculo Rowland, como exibido na Figura 3. O diâmetro do círculo Rowland é igual ao raio de curvatura do cristal. Todos os raios a partir de um determinado ponto na circunferência para qualquer ponto no cristal têm o mesmo ângulo de incidência em relação ao próprio cristal.

. No caso de HIREXSR, uma resolução espacial esfericamente dobrada autorizações de cristal no plano meridional, ilustrado na Figura 4 A meridional foco f _m é definido como: _M F = R _C sin θ _b, em que R _c representa o raio de curvatura o cristal. O sagital foco f _s é definido como: f _s = - f _m / cos 2 θ _b. A resolução espacial da espectrómetro Δ x é dadode: Equação , Em que L _CP é a distância entre o cristal e o plasma, e d é a altura do cristal. Uma vez que o espaçamento de duas dimensões das camadas de cristal é discreto, isto deve ser levado em consideração na escolha de um material. Uma vez que as superfícies de detectores são planares, eles só podem ser tangente ao círculo Rowland em um ponto, o que dá, consequentemente, origem a erro, pois os raios detectados não são desembarque precisamente em seus pontos correspondentes no círculo Rowland. Fisicamente, este desalinhamento se manifesta como uma "mancha" de fótons de energia específica no detector. Este erro é definido como Johann Equação , Onde L é a largura do cristal. Se o pixel do detector largura Ax _p é muito maior do que o erro Johann, em seguida, a resolução espectral é independente dele. Se umre de tamanho comparável, em seguida, o erro total pode ser aproximada pela . O poder de resolução do espectrómetro de cristal é dada por: Equação , Onde . Em vez de colocar a tangente a um detector de ponto no círculo Rowland No entanto, em HIREXSR o detector está inclinado ligeiramente para sacrificar a precisão para a gama espectral, como mostrado na Figura 5. Esta análise de erro foi experimentalmente verificado e está de acordo com expectativa ^8.

Existem dois parâmetros cruciais a considerar ao projetar um espectrômetro de Johann. Em primeiro lugar, a gama de imagem determina o que o espectrômetro estará observando. Para estudar plasmas, é altamente desejável para ver sua seção transversal inteira, a fim de distinguir entre os turnos da linha causadas por poloidais e toroirotação dal. HIREXSR é montado de tal modo que ele possa ver todo o plasma, e é inclinada ligeiramente fora do eixo de -8 ° (ilustrada na Figura 6) para permitir medições precisas toroidais. Em segundo lugar, resolução de tempo regula o tempo mínimo entre eventos que o espectrômetro pode gravar. Para Alcator C-Mod, valores desejáveis são inferiores a 20 ms, mais curtos do que os tempos de energia e de confinamento de partículas. Os raios-X detectores de pixel de contagem que HIREXSR usos podem apoiar uma resolução de tempo de 6 a 20 ms ou maior ^9. A tabela 1 resume todas as especificações do módulo.

Para os estudos de plasma perturbativas, o sistema blow-off laser sobre Alcator C-Mod é usado para entregar várias ablações com sincronismo preciso ^10. O laser é um laser de Nd: YAG (granada de ítrio-alumínio dopado com neodímio), operando a até 10 Hz. O laser é incidente sobre um trem óptico com controlo remoto, como mostrado na Figura 7 que se concentra e novilhoso feixe para o local desejado no slide. tamanhos de ponto de laser têm de ser controladas de modo que a injecção não perturbar o plasma. Uma lente convergente longa distância focal (1,146 milímetros) é traduzido ao longo do eixo óptico através de uma fase linear com controlo remoto para permitir tamanhos de ponto para ablacionadas variar de ~ 0,5 a 7 mm. steering feixe rápido é conseguido através de um espelho piezoelétrico 2D. Este sistema piezoeléctrico é montado um espelho accionado RS232 montagem capaz. Além do laser Nd: YAG, um laser de diodo 633 nm é utilizado para indicar o local do feixe principal (infravermelho). As vigas são feitas para serem colineares através do primeiro espelho.

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Protocol

1. Escolher linhas espectrais apropriadas

Escolha linhas de emissão apropriados que irão determinar a qualidade dos dados obtidos. A figura 8 mostra que as linhas de emissão de gases nobres serão relevantes em diferentes valores para a temperatura de elétrons.
1. Note-se que as razões de estado de ionização e linha são determinadas pela competição de ionização, excitação colisional, recombinação radiativa e recombinação dieléctrico. Estes processos podem variar com a temperatura de plasma e da densidade. Veja a Figura 9 para um exemplo desta variação.
Referem-se a outras obras publicadas para os comprimentos de onda e relação de forças entre linhas de emissão de interesse. Neste protocolo, usam íons Z He-como médias como caracterizados em Rice, JE et al. (2015) ^4. Ver Figura 10 para um exemplo do espectro.
Note que é importante estudar os satélites de linhas fora da série principal, como eles could ser resolvida com as linhas que estão sendo medidos. Algumas impurezas intrínsecas (Fe, Mo, Ti, etc.) sempre estará presente a partir da estrutura de plasma virados e componentes no tokamak. Por exemplo, a Figura 11 sugere argônio Ly _α1 é uma escolha melhor do que a linha _α2 Ly uma vez que este se sobrepõe com uma linha de molibdênio.
Para plasmas na temperatura varia em torno de 0,5-3 keV, capturar as seguintes linhas He-como para argônio (todos de n = 2 transições): ressonância (w, 1s ² ¹ S ₀ - 1s2p ¹ P _1), proibidos (Z, 1s ² ¹ S ₀ - 1s2p ³ S _1), e intercombination (x, 1s ² ¹ S ₀ - 1s2p ³ P ₂ e y, 1s ² ¹ S ₀ - 1s2p ³ P _1). No caso do árgon n = 2 transições, o espectro de H-como situa-se entre 3,72 Å <λ <3,80 Å eo spectr Ele-likehum situa-se entre 3,94 Å <λ <4,00 Å. Veja a Figura 11 e Figura 12 para as parcelas desses espectros.

2. Montar o HIREXSR Hardware

Refira-se às obras publicadas relevantes para os detalhes e especificações sobre a montagem e construção de HIREXSR ^1,2,5. Esta secção incidirá sobre os passos mais importantes e fundamentais nesse processo.
Montagem HIREXSR em uma das portas em forma de pista de corridas de Alcator C-Mod, angulada para permitir uma visão 8 ° fora da diagonal.
Obter uma (102) de cristal -quartzo circular com um espaçamento 4,56215 Å 2d, um diâmetro de 50 mm e um raio de curvatura de 1,385 milimetro para visualizar o espectro de H-like.
Obter uma forma rectangular (102) com um espaçamento -quartzo 4,56215 Å 2D, uma largura de 64 mm e uma altura de 27 mm para visualizar o espectro Ele semelhantes.
Inserir e montagem ambos os cristais no interior do alojamento de HIREXSR acedendo carcaça do espectrómetro atravésa escotilha localizada em seu lado. Veja a Figura 13 para o seu layout.
Através da mesma ninhada, aparafusar as quatro detectores sobre as montagens móveis designadas no corpo espectrómetro, reservando um detector para o espectro de 'H-tipo, e os outros três para o espectro Ele semelhantes. Este arranjo é ilustrado na Figura 14.
Posicionar as montagens 125 cm de distância a partir dos cristais de tal modo que a linha do centro dos cristais para que um dos detectores faz um ângulo θ _b / 2, com a linha do centro do círculo Rowland para o centro do cristal, onde θ _b é o ângulo de Bragg do centro do espectro a ser medido. Veja a Figura 5.
1. Note que para argônio, o cristal H-like utilizado resulta em θ _b = 55,5 °, e o He-como cristal resultados utilizados na θ _b = 60,5 °.
Ângulo dos detectores para coincidir com aarranjo modificado ilustrado na Figura 5.
1. Observe que o alinhamento preciso dos detectores não é importante, já que os dados coletados serão calibrados com uma fonte conhecida durante a execução experimental.
atmosfera de hélio separada do HIREXSR do vácuo tokamak através da instalação de uma janela de 0,001 "de espessura e 4" berílio diâmetro. Veja a Figura 13 para seu layout.
Instale uma válvula de 10 "portão entre a janela eo reactor para proteger contra falhas da janela de berílio.
1. Note-se que a válvula de porta deve fechar-se quando a pressão local sobe acima de 10 mTorr a evitar danos no espectrómetro e o Tokamak.
Consulte a Figura 6 e Figura 15 para cima para baixo e lateral, respectivamente, vistas de HIREXSR e Alcator C-Mod, junto com distâncias relativas dos detectores e cristais, e entre o espectrômetro e tokamak.

Refira-se às obras publicadas relevantes para os detalhes e informações específicas sobre a construção do laser aparelho de blow-off ^10.
Para injetar cálcio, tomar a ₂ slides 2 m CaF com 100 Å de cromo (para ajudar na absorção do laser no material) e coloque o slide no sistema blow-off laser. Como isso requer acesso ao reactor C-Mod, faça isso antes do início das operações para o dia.
Mudar para o canal 14 no sistema de televisão por cabo de circuito fechado de Alcator C-Mod para ver uma câmera preto e branco CCD que assiste o slide. O diodo ponto de laser 633 nm deve ser visível no slide.

4. Realização de uma experiência Plasma

No início do funcionamento de dia, inicie o script que irá recolher e guardar os dados dos detectores de pixels de contagem de raios-X para cada corrida experimental, ou "shot". Isto irá depender da configuração do detector específico em Place. As etapas específicas para HIREXSR são aqui apresentados.
1. A partir de uma estação de trabalho na sala de controle C-Mod, abrir um terminal de linha de comando.
2. Conectar-se a um detector remotamente, digitando "ssh -X det @ dec0xx", onde xx varia de 07-10.
3. Altere os diretórios, digitando "cd p2_1mod"
4. Execute o comando "runtvx". Isso fará com que uma janela que vai avalanche com o texto.
5. Uma vez que o texto pára, pressione Enter duas vezes. O script de inicialização irá definir a taxa de quadros para 50 Hz e energia limite para ~ 2 keV. Outra avalanche de texto vai acontecer e os detectores começará a calibrar.
6. Espere até que tudo isso termina, e digite "exit" na janela.
7. Repita para cada detector 07-10.
Ao longo do dia, manter uma atmosfera de hélio em HIREXSR ligeiramente acima da temperatura ambiente, bombeando continuamente o gás para dentro do alojamento para a duração da operação. Isso reduz atten de raios-X atmosféricauação e expansão térmica do cristal.
Colaborar com a equipe de engenharia no local para garantir o plasma atinge os parâmetros de plasma desejados durante o próximo tiro. Se os parâmetros estão a mudar de tiro a tiro, comunicar isso para o pessoal de engenharia entre cada tiro.
1. Além disso, em algum momento durante o dia de execução, solicitar um tiro "modo protegido" do pessoal de engenharia para a calibração dos dados obtidos nesse dia. Veja Reinke et al. 2012 ¹ para uma explicação de modos bloqueados e como eles são usados para a calibração.
Para os estudos de transporte perturbativas: Antes de cada tiro, programar o sistema blow-off laser para injetar a concentração desejada de impurezas não-reciclagem (CAF _2, Sc, etc.) para o plasma em momentos desejados.
1. Decidir sobre o tamanho do ponto de laser, que controla a quantidade de material de ablação a partir do slide. A partir da experiência operacional no Alcator C-Mod, cerca de 10% do companheiro ablatedrial torna para o núcleo de plasma durante a operação de baixa potência ^10. tamanhos ponto típico variar de 0,5 a 3,5 mm.
2. Determinar os horários de purga desejadas, tendo em mente a velocidade máxima de operação de 10 Hz.
3. Digite o tamanho do local desejado e horários para o laser GUI controle do sistema blow-off. Por exemplo, o estudo de transporte por Rice et ai. 2013 ¹¹ variou os tamanhos de ponto a partir de 0,5 a 3,5 mm e tinha injecções a cada 300 ms.
Em todos os estudos: Defina a válvula de gás de argônio sopro no plasma 0,3 seg após o plasma é iniciado. O sopro deve durar cerca de 0,1 seg e aumentar a densidade de argônio para cerca de 10 ^-4 vezes a densidade de elétrons.
Use dwscope para visualizar dados de diagnóstico ao vivo durante o dia prazo para sistemas que utilizam MDSplus, tais como C-Mod.
1. A partir de uma estação de trabalho na sala de controle tokamak, dwscope aberta no menu do aplicativo
2. Obter um ou mais arquivos de escopo com diagnósticos relevantes mostrados a partir another usuário, ou criar os personalizados usando o MDSplus Árvore Command Language (avançado).
3. Clique em "Personalizar Configurações | Use Guardados A partir ..." e selecionar um arquivo de escopo para carregá-lo. Um exemplo útil âmbito, plasma_n_rot_z.dat, é mostrado com a GUI dwscope na Figura 16.
4. Deixe a caixa de texto na barra inferior em branco e os dados serão carregados a partir do tiro mais recente.
5. Se desejar, digite um número de tiro e clique em "Aplicar" para carregar dados de um tiro específico.
Informar os operadores de engenharia que todos os preparativos para o próximo tiro estão completos e que eles podem avançar para inflamar o plasma.
Aguarde os operadores para iniciar o plasma e para que termine. Em Alcator C-Mod, o processo de iniciação vai durar cerca de 3 min e o plasma vai queimar para menos de 10 seg.
1. Se estiver usando o sistema blow-off laser, confirmar visualmente a ablação de slides através da visão da câmera do slide (consulte a secção 3).
Aguarde até que o tokamak para esfriar, a fim de avançar para o próximo tiro. Em Alcator C-Mod, este processo vai durar 10-15 min.
1. Use esse tempo para fazer quaisquer alterações ao montagem experimental e comunicá-las aos operadores para que possam ser utilizados posteriormente, se desejado.
Observe que, se qualquer alteração no hardware são desejados, os pesquisadores devem solicitar um "acesso de células" para os operadores, durante o qual eles vão abrir o tokamak e desengatar outras características de segurança para permitir que as pessoas entrem os arredores de Alcator C-Mod. Caso contrário, o acesso ilimitado está disponível antes e depois do dia de execução. Capacete de segurança deve sempre ser usado quando se trabalha perto do reator.
Use dwscope como antes para rever quaisquer diagnósticos de plasma desejados após o dia run concluiu.
1. Note-se que os dados podem também ser programaticamente acessados através de várias APIs MDSplus para diferentes idiomas.

5. A calibração doHIREXSR dados modo bloqueado Usando THACO

Use O HIREXSR Código Analysis (THACO) para inverter os dados HIREXSR, que é de ¹² integrado-line. Referência e análise detalhada de todos estes passos podem ser encontrados on-line no Manual THACO inédito na biblioteca on-line MIT Plasma Ciência e do Centro de Fusão (PSFC). Esta seção cobre primeira configuração e lançamento de THACO, seguido pelo processo de calibração.
Siga as instruções na página wiki Alcator C-Mod para THACO para configurar THACO para uso pela primeira vez em uma máquina conectada à rede PSFC. Você também pode precisar de pedir acesso de escrita na árvore ESPECTROSCOPIA do administrador de rede.
Enter 'IDL' em uma linha de comando a partir de para iniciar a interface de linha de comando IDL.
De IDL, insira "@ thaco.bat 'para lançar THACO.
Identificar um modo bloqueado para ser utilizado para a calibração dos dados.
1. Abra um navegador da web e navegue até o diário de bordo PSFC.
2. Clique no " costume consulta botão "para abrir uma página de pesquisa.
3. Na caixa de texto consulta personalizada, digite "tiro como '%%% 1yymmdd' e texto como '% bloqueado modo%'", onde yymmdd é o ano / mês / dia do dia de execução, para abrir entradas de log que contêm o texto bloqueado modo.
4. Determinar o número tiro do modo bloqueado a partir das entradas de log, e tomar nota dos tempos de início / término modo bloqueado.
5. Note-se que ter uma linha de base modo bloqueado não é estritamente necessário para todos os diagnósticos, como os que envolvem relações de linha como a determinação da temperatura dos electrões ^13, mas é altamente recomendável pois o ângulo de Bragg pode mudar de dia para dia devido à rede cristalina expandindo / contraindo ¹⁴ .
No THACO GUI, entre no modo bloqueado tiro número para o campo de texto "(ACTIVE) SHOT", e pressione enter.
Pressione o botão "Iniciar W_HIREXSR_CALIB" e lançar o widget de calibração.
1. Nos th janelaa aparecer, certifique-se de que o campo "SHOT" contém o número do modo de tiro bloqueado, e tomar nota do número no "Módulo". Pressione Enter depois de quaisquer alterações são feitas para qualquer campo.
2. Clique no botão "LOAD" no terço superior da janela e esperar que os dados sejam carregados.
3. Clique em "Load" no terço médio da janela e esperar por mais dados a ser carregado.
4. Se os dados com êxito é carregado e as elipses ajuste com bom aspecto, repita o passo de calibração com um número diferente no campo "MÓDULO" (1-4), como o modo de disparo bloqueado já foi calibrado.
5. Se todos os módulos (1-4) já foram calibrados, ignore o restante das etapas de calibração e alinhamento detector desde o tiro já foi calibrado, e proceder diretamente a secção 6.
Comece a montagem espectral selecionando a opção adequada no canto superior direito da janela. Apenas H-like e He-como Ar e Ca espectros umestá apoiado fora da caixa atualmente.
1. Defina o "t1 =" e "T2 =" campos para o modo de início / fim vezes bloqueados, respectivamente, que são mencionados no diário de bordo.
2. Mova o "ajuste LOW" e "FIT alto" sliders até a região de ajuste indicadas pelas linhas brancas pontilhadas sobrepostas no espectro na parte superior esquerda, contém apenas a região onde as linhas espectrais de interesse são visivelmente resolvido.
3. Clique no botão "FIT / SAVE SPECTRA" e aguarde o processo de adaptação para terminar.
4. Uma vez que o processo de ajuste estiver concluído, usou o controle deslizante "SPEC" ou as setas esquerda / direita ao lado dele no terço médio do GUI para inspecionar visualmente todos os ajustes espectrais.
5. Remova qualquer mal ou outlier se encaixa, marcando a caixa de seleção "BAD" ao lado do controle deslizante "SPEC". Referenciar os trabalhos encontrados na Etapa 1.3 para comparação com espectros conhecida. Por exemplo, Ele semelhantes Ca espectros será semelhante a Figura 10.
6. Comece elipse encaixe seleccionando a linha desejada (W, X, Y, Z) a partir do terço inferior da GUI.
  1. Clique no botão "ELIPSES FIT" e aguarde elipses para estar em forma para os ajustes espectrais.
  2. Mova os "baixa", "alto" e "outl" sliders até que a elipse se encaixam visualmente corresponde ao espectro. As elipses estão aptos com um não-linear menos MPFIT método dos quadrados ^15, que pode ser exigente.
  3. Clique no botão "Salvar ELIPSES" quando terminar, e repita o processo com a próxima linha desejada.
  4. Quando todas as linhas estejam em boa forma, mudar a "MÓDULO" a um módulo diferente (1-4), que não foi calibrado ainda e pressione enter, e prossiga a partir do passo 5.7.1.
  5. Quando todos os módulos foram calibrados, clique no botão "sair" (não o 'x') para fechar o widget.
7. Pressione o botão "W_HIREXSR_DET_ALIGN LANÇAMENTO" para iniciar o widget alinhamento detector. <ol>
8. No campo "SHOT", digite o número do tiro de uma recente modo bloqueado conhecido que já foi calibrado e pressione enter. Tome nota do campo "MÓDULO".
9. Clique no botão "LOAD" e aguardar os dados para carregar.
10. No canto inferior esquerdo, anote todos os valores do seletor no painel "POSITION DETECTOR".
11. No campo "SHOT", digite o número do tiro do modo bloqueado sendo calibrado e pressione enter.
12. Clique no botão "LOAD" e aguardar os dados para carregar.
13. Digite os valores escrito anteriormente para o painel "POSITION DETECTOR", pressionando ENTER após cada mudança.
14. Alterar os valores no painel "POSITION DETECTOR", quer através dos controles deslizantes ou mudando manualmente valores nas caixas de texto, até que todos ou a maioria dos resíduos circulares se encontram dentro da barra verde.
15. Alterar o campo "MÓDULO" a um módulo (1-4) que não tenha sido alinhado e ainda press entrar. Em seguida, proceder a partir do passo 5.10.1.
16. Quando todos os módulos foram alinhados, clique no botão "sair" (não o 'x') para fechar o widget.
17. A calibração é feito agora; vá para a Seção 6 com o modo de disparo bloqueado.

6. Análise Avançada de HIREXSR dados usando THACO

Use O HIREXSR Código Analysis (THACO) para inverter os dados HIREXSR, que é de ¹¹ integrado-line. Referência e análise detalhada de todos estes passos podem ser encontrados on-line no Manual THACO inédito na biblioteca on-line MIT Plasma Ciência e do Centro de Fusão (PSFC). Esta secção cobre o processo de inversão real para visualizar os dados de perfil.
Determinar o número tiro para o tiro de interesse.
A partir do THACO GUI, defina "(ACTIVE) SHOT" campo para o número tiro, e pressione enter. A GUI deve reconhecer a mudança no log na parte inferior.
Escolha a linha espectral de interesse, definir o campo &# 34;. LINE "para o número da linha de interesse para árgon, este será normalmente 2 para a linha z He-like, e 3 para a linha lya1 H-like.
1. Clique em "números de linha LISTA THACO" para listar todos os números de linha disponível.
Clique na aba "binning" na parte superior da GUI.
1. Clique em "Verificar THT DISPONIBILIDADE" para verificar a disponibilidade THACO Tree (THT). A parte inferior da GUI deve registrar todas as árvores THACO disponíveis.
2. Defina o "número de nova árvore THACO (THT)" campo para o primeiro número não listado na disponibilidade.
3. Clique no botão "Criar" para criar um novo THT análise de modo anterior não será substituído.
4. Clique em "Verificar THT DISPONIBILIDADE" novamente para atualizar a lista de disponíveis thts.
5. Alterar o campo "THT" ao lado do campo "(ACTIVE) SHOT" para o número THT recém-criado, e pressione enter. O log GUI deve reconhecer essa ação.
Se TEle atirou atual não é um modo bloqueado, clique na guia "CALIB" na parte superior da GUI.
1. Alterar o "dados de calibração da Shot" para o modo bloqueado para ser usado para calibrar os dados.
2. Pressione o botão "Copiar" para copiar sobre a calibração.
Clique na guia "binning" novamente.
1. Consulte o manual THACO para obter instruções sobre como fazer Binnings personalizados.
2. Para copiar binning a partir de uma análise prévia, introduza o tiro / THT em seus respectivos campos (pressione ENTER após cada mudança) no painel com o botão "Copiar".
3. Cópia sobre o binning: Selecione "RAMO A" e clique em "Copiar" e selecione "ramo B" e clique em "Copiar" novamente.
Clique na aba "Perfis" na parte superior da GUI.
1. Consulte o manual THACO para obter instruções sobre como usar os recursos avançados presentes nesta seção.
2. Caso contrário, insira o tiro / THT froma análise prévia em seus respectivos campos (pressione ENTER após cada mudança) no painel superior.
3. Clique no botão "LOAD RHO", seguido do botão "LOAD BOM".
Clique no botão "RUN THACO", e THACO começará o processo de inversão. Isso pode demorar alguns minutos.
Note-se que THACO é, na verdade, passando por uma série de passos independentes, durante este processo: a execução de um ajuste multi-gaussiana no espectro para calcular os momentos de várias linhas, usando esses momentos para calcular os dados de perfil integrado de linha, em seguida, invertendo os dados integrados de linha através de um método dos mínimos quadrados. resultados intermédios destes passos, úteis para solução de problemas, pode ser encontrada nos momentos e perfis de widgets. Os usuários interessados são encorajados a olhar através do manual THACO para mais informações sobre estes passos e como usar esses widgets para controle mais detalhado sobre o processo de inversão.
Uma vez que o processo de inversão de finiela é, a partir dos "perfis" Clique na guia "LAUNCH_W_HIREXSR_PROFILES" para inspecionar visualmente os perfis.
1. Pressione o botão "LOAD" no painel "Árvore de I / O" na parte inferior e aguardar os dados para carregar.
2. Se o processo automatizado falhar, encontrar "DO INVERSIONS PARA" e clique em "ALL" para refazer rapidamente todas as inversões.
3. inspecionar manualmente os perfis invertidas à direita usando o controle deslizante "TIME" na parte inferior para mudar frames.
4. Se houver quaisquer perfis invertidos que parecem estar errado (por exemplo, temperaturas negativas, gradientes não físicas em relação a borda, etc.), use os botões - / + ao lado de "CH #" para selecionar os canais outlier à esquerda, e desmarque a opção "bom" para removê-los da etapa de inversão.
  1. Note-se que as emissões tendem a ser mais fraca em direcção ao bordo de modo a incerteza é maior; No entanto, a temperatura invertido ainda deve ir para um pequeno (não necessariamente) Zvalor ero na borda.
5. Encontrar "DO INVERSIONS PARA" e clique em "corrente" para inverter o perfil para o quadro atual. Repete a remoção de outliers até que o perfil invertida parece correcto.
6. Pressione o botão "SAVE" após os dados parece satisfatório.
7. Use o widget perfis para inspecionar os dados.
Se desejado, clique em "W_HIREXSR_COMPARE LANÇAMENTO" na guia "Comparar" para comparar os perfis construídos a partir de diferentes linhas espectrais. Um cenário comum onde isso é útil é quando a temperatura do núcleo de plasma torna-se quente o suficiente para a emissão H-como argônio para ultrapassar a emissão He-like.
Note-se que os dados podem também ser programaticamente acessados através de várias APIs MDSplus para diferentes idiomas. Consulte o manual THACO para os caminhos relevantes.

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Representative Results

Uma amostra de dados representativo do detector de pixels para uma bandeja de tempo para o espectro de árgon Ele-como é mostrado na Figura 17. As linhas espectrais, dobrados em uma forma elíptica pelo cristal esférica, são claramente visíveis. O detector de topo tem um painel detector de quebrado, e há alguns pixels mortos espalhados por todos os detectores. Os dados do painel detector quebrado deve ser ignorado. Fatias de o detector que mostra o espectro medido e os resultados do ajuste feito pelo THACO espectral através de uma única corda são mostrados na Figura 18 e Figura 19. Os dados de perfil integrado de linha resultante é mostrada na Figura 20.

Um exemplo de um plasma de temperatura invertido e perfil de velocidade de formato circular criado por THACO a partir das linhas de árgon Ele-como pode ser visto na Figura 21. As temperaturas de iões medidosde HIREXSR concordar com diagnósticos independentes em outros canais de medição ^1. Usando árgon, uma impureza de reciclagem, permite que os perfis de iões a ser medida ao longo de toda a evolução do plasma. Isso é fundamental para estudos de transporte, como em Rice et al. 2013 ^11, que a evolução estudo plasma ao longo do tempo escalas mais tempo do que o tempo de impureza confinamento. Se os detectores foram em vez posicionado para medir uma impureza transitória, tais como cálcio, HIREXSR iria fornecer dados de perfil transiente. Ver Howard et al. 2011 ¹⁰ para um tal estudo.

Figura 1. Ilustração de reflexão de Bragg. Raios de entrada irá reflectir e construtivamente interferem com base em seu ângulo de incidência e comprimento de onda. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Um balanço da curva por uma calcite cristal. A curva de preto é o melhor ajuste aos dados observados, enquanto que a linha a tracejado é o caso idealizado onde não há absorção.

Figura 3. um espectrómetro Johann com uma inclinação de cristal. Raios de entrada incidente sobre o mesmo local na circunferência do círculo ter o mesmo ângulo de incidência sobre o cristal e acabar no mesmo local no detector. Por favor clique aqui para visualizar um versão maior desta figura.

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Figura 4. Um Johann Spectrometer com uma Bent Cristal esférico. A curvatura esférica do cristal permite a resolução espacial ao longo do plano meridional, de modo espectros são capturados ao longo vários acordes média-line através do plasma. Por favor clique aqui para ver uma versão maior esta figura.

Figura 5. O alinhamento detector de cristal usado em HIREXSR. Em HIREXSR, o detector é inclinada ligeiramente do arranjo padrão para permitir uma maior gama de comprimentos de onda a ser medido. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6. Descendente CAD Vista de HIREXSR. Este desenho CAD mostra as posições relativas das duas matrizes de detectores e o cristal espectrómetro para o recipiente de vácuo Tokamak, que contém o plasma. A linha de mira do espectrômetro é inclinada ligeiramente fora do eixo para permitir a rotação toroidal a ser medido através do efeito Doppler.

Figura 7. Disposição de sistema óptico. Esta figura mostra o layout do sistema óptico para o sistema blow-off laser a partir Howard et al. ^10.

Figura 8. Abundância Fractional cobrança Estado para vários gases nobres. Este gráfico mostra as abundâncias estado de carga fraccionadapara vários gases nobres em equilíbrio coronal. Estados totalmente despojado estão em mostrado com linhas sólidas, H-like com tracejado, He-like com traço-ponto e Ne-like com traço-ponto-ponto. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9. Ca ^{18 +} k / proporções de brilho w. O rácio de brilho média de acordes medida do k por satélite dielectronic à linha de ressonância w em He-como Ca ¹⁸⁺ (pontos vermelhos) em comparação com a curva teórica (linha verde).

Figura 10. mediu-like Ca ¹⁸⁺ Spectrum. A medida He-como Ca ¹⁸⁺ (w, x, y, e z) espectro com satelli TES (mais proeminente '4', '3', Q, R e K) é mostrado pelos pontos. Um espectro sintética calculada com modelagem colisional-radiativo indicado pela linha a cheio.

Figura 11. Medido Ar ¹⁷⁺ Espectro H-like. O espectro medido da gibão _α Ar ¹⁷⁺ Ly e satélites próximos (pontos verdes), com espectro sintético (linha vermelha). Observe a sobreposição entre a linha de Mo ³²⁺ e a linha _α2 Ly.

Figura 12. mediu-Ar como ¹⁶⁺ Espectro. Medido espectros de raios-X na vizinhança do Ar ¹⁶⁺ W linhas de ressonância. Observe a escala logarítmica.

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Figura 13. Vista interna e mostrando Cristais Seja janela. A janela de berílio (A) e cristais (b) são apresentados como visto a partir de dentro do alojamento. A janela Seja é rotulado com o verde, o cristal esférico com vermelho, eo cristal retangular com roxo.

Figura 14. Vista Interna Mostrando Detectores. A matriz de três detector de espectros He-como é mostrado na parte esquerda do (a), e para H-como espectros é mostrado à direita em (b). Os três detectores utilizados para os espectros de He-como permitir a captura de espectros a partir do núcleo e a borda do plasma em simultâneo.

Figura 15
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Figura 16. Exemplo de exibição de dwscope. Esta figura mostra um screenshot de uma instância de dwscope. Dados integrado de linha de HIREXSR é destacado pela caixa vermelha. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 17. Saída Exemplo Detector. Esta figura mostra exemplos de dados brutos recolhidos pela deTectors mais de um único bin tempo para He-like (superior, médio) e H-como espectros (parte inferior) de argônio. O eixo y corresponde ao comprimento de onda, e o eixo-x para ângulo meridional. As linhas espectrais, dobrado em forma elíptica do cristal esférica, são claramente visíveis. A parte superior (1x ganho) e inferior (2x ganho) são espectros a partir do núcleo, e o espectro do meio (8x ganho) é a partir da borda. As linhas verdes pontilhadas separar diferentes regiões para o código de montagem espectral. O detector de cima tem um painel detector quebrado, e há alguns pixels mortos espalhados por todos os detectores. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 18. Exemplo Collected H-como Spectra. Medido brilho média-line em todo o espectro de argônio H-como para umúnica corda e escaninho tempo (em cima, branco), que corresponde a uma única coluna de pixels no detector inferior na Figura 17. O fundo removido é mostrado em verde, e um ajuste multi-Gaussiana é mostrado em ciano. O espectro total de composto de ajuste é mostrado pela linha vermelha, e os resíduos estão na figura inferior. Nota do acordo com a Figura 11.

Figura 19. Exemplo Collected He-como Spectra. Medido brilho média-line em todo o espectro de argônio Ele, como para um único acorde e bin tempo (em cima, branco), correspondendo a uma única coluna de pixels no detector de topo na Figura 17. o fundo removido é mostrado em verde, e um ajuste multi-Gaussian é mostrado em ciano. O espectro total de composto de ajuste é mostrado pela linha vermelha, e os resíduos estão na figura inferior.

Figura 20. Perfil de exemplo de linha-integrado. Esta figura mostra um exemplo dos dados integrados de linha gerados por THACO a partir dos resultados da linha de montagem. Ele precisa ser tomograficamente invertida para repor o perfil completo.

Figura 21. Perfis de Plasma Exemplo invertido. Esta figura mostra os dados de exemplo que foi invertida por THACO para produzir perfis de temperatura e de rotação toroidais. HIREXSR permite tanto a resolução espacial (ao longo do eixo y) e resolução de tempo (ao longo do eixo x). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tipo de sensor	arranjo de diodos de silício polarização reversa
Sensor de espessura	320 mícrons
Pixel Size	172 mm × 172 mm
Formato	487 × 195 pixels = 94,965
Área	83,8 milímetros x 33,5 milímetros
dynamic Range	20 bits (1: 1.048.576)
Contagem Taxa por pixel	> 2 × 10 ⁶ raios-X / seg
Faixa de energia	3-30 keV
resolução de energia	~ 500 keV
Faixa Threshold ajustável	2-20 keV
leitura Tempo	2.7 ms
Taxa máxima de quadros	300 Hz
Ponto de Função Espalhe	1 pixel
T externarigger / gate	5 V TTL
Consumo de energia	15 W
dimensões	275 x 146 x 85 milímetros
Peso	1 kg

Tabela 1. Especificações do Detector. Esta tabela especificações detector listas pertinentes ao projeto de HIREXSR.

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Discussion

Os dados gerados por esta técnica pode ser utilizada numa ampla variedade de estudos experimentais. Ion temperatura e perfis de velocidade toroidais podem ser utilizados numa ampla gama de estudos de transporte, incluindo rotação plasma auto-gerado intrínseca e efeitos perturbativas não locais. Medição espectros de impurezas injetados por meio de laser de sopro também pode fornecer informações importantes sobre o transporte de impurezas no plasma, como foi feito no Howard et al. ^10, 2011. Neste momento, não há outra plasma de diagnóstico pode fornecer tempo e espacialmente resolvidos dados do perfil ion do núcleo de plasma ^1, fazendo de raios-X de imagem espectroscopia de um novo método para sondar o comportamento plasma.

O passo mais importante no protocolo é a identificação de linhas espectrais na região de comprimento de onda de interesse. É importante que as linhas sendo observados são fortes para proporcionar boas estatísticas de contagem, e resolvido a partir tanto uns aos outros e outrlinhas de satélite r. A força relativa destas linhas podem mudar drasticamente com diferentes temperaturas e processos quânticos como recombinação dielétrica pode ter efeitos mensuráveis.

Se as linhas espectrais são fracos, pode ser possível melhorar a sua força através da introdução de mais do impureza medido. Se uma gama de diferentes comprimentos de onda é de interesse, os detectores simplesmente precisa ser movido ao longo do círculo Rowland, enquanto o ângulo de Bragg é ainda entre maior do que 45 ° para evitar divergentes raios e menos de 80 ° para evitar a interferência entre o de entrada e fótons refletida. A taxa de quadros dos detectores também pode ser alterado para ser mais rápido ou mais lento. O detector não conta fótons durante o tempo de leitura, de modo que a fração de fótons capturados aumenta com quadros mais longos, permitindo melhores estatísticas nos dados obtidos.

A interface espectrómetro-reactor deve ser à prova de fugas a 10 ^-9 std cc /seg e capaz de sustentar uma pressão diferencial de 1 atm a ambos os lados. A janela de berílio é a escolha ideal para esta interface, devido à sua alta resistência e bom coeficiente de transmissão de raios-X, que é cerca de 40% para raios-X 3.1 keV. A atmosfera de hélio mantida no interior do alojamento de HIREXSR para reduzir a atenuação de raios-X para cerca de ~ 1% de raios de entrada. O bombeamento constante garante que nenhum ar está vazando para dentro do alojamento e contaminando a atmosfera local. Estes sistemas devem ser verificada a existência de vazamentos para garantir raios-X fazê-lo para os detectores.

Uma câmara de vácuo seria o ideal para a habitação do espectrómetro. No entanto, uma tal câmara é muito caro e pouco prático manter, durante um grande espectrómetro tal. Futuras melhorias poderia incidir sobre a utilização de novas técnicas ou as recentes inovações para criar uma interface espectrômetro-reactor e atmosfera local que minimiza a absorção de raios-X, ou tentar fazer desenhos atuais ou semelhantes mais barato e more viável.

A técnica é limitada pelos seus requisitos de temperatura, como o plasma tem de ser suficientemente quente para ionizar a impureza de interesse, mas arrefecer o suficiente para permitir a recombinação. Além disso, e como H-He-como estados de ionização são os preferidos uma vez que os seus espectros são muito mais simples e mais fácil de caracterizar. Isto significa que é difícil obter dados a partir da extremidade mais fria do plasma, e pode requerer a reconfiguração física da máquina de obter dados úteis a partir de plasmas em todo o intervalo de temperatura do Tokamak. Além disso, a técnica é um tanto limitada pela necessidade de rodar tiros de calibração devido à expansão térmica do cristal espectrómetro. Esta poderia ser melhorado no futuro com melhores controles de temperatura sobre o cristal, ou outras técnicas de calibração novos.

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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