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

Summary

Рентгеновские спектры предоставляют обширную информацию о высокотемпературной плазме. Эта рукопись представляет работу с высоким разрешением длин волн пространственно томография рентгеновский спектрометр, используемый для просмотра ВОДОРОДОПОДОБНЫХ и гелиоподобные ионы средних элементов атомного номера в плазме токамака.

Abstract

Рентгеновские спектры обеспечивают большое количество информации о высокотемпературной плазме; например, электронной температуры и плотности можно вывести из соотношения интенсивностей линий. С помощью спектрометра Иоганна просмотра плазмы, можно построить профили параметров плазмы, таких как плотность, температура и скорость с хорошим пространственным и временным разрешением. Тем не менее, сравнительного анализа атомного моделирования кода рентгеновских спектров, полученных из хорошо диагностированных лабораторной плазмы важно, чтобы оправдать применение таких спектров для определения параметров плазмы, когда другие независимые диагностики не доступны. Эта рукопись представляет работу высокого разрешения рентгеноструктурного спектрометра с формированием изображения с пространственным разрешением (HIREXSR), высокой разрешающей способностью длины волны в пространстве рентгеновских изображений спектрометр, используемый для просмотра водород- и гелий-подобных ионов средних элементов атомного номера в токамаке плазмы. Кроме того, эта рукопись охватывает сдувания лазерную систему, которая может вводить такие ионыв плазме с точным временем, чтобы позволить пертурбативных исследований транспорта в плазме.

Introduction

Рентгеновские спектры обеспечивают большое количество информации о высокотемпературной плазме; например, электронной температуры и плотности можно вывести из соотношения интенсивностей линий. Используя Johann спектрометр просмотра плазму от оси, можно построить профили параметров плазмы , таких как плотность, температура и скорость внутри плазмы с хорошим пространственным и разрешением по времени ^1,2. Эта рукопись представляет работу высокого разрешения рентгеноструктурного спектрометра с формированием изображения с пространственным разрешением (HIREXSR), высокой разрешающей способностью длины волны в пространстве рентгеновских изображений спектрометр, используемый для просмотра водород- и гелий-подобных ионов средних элементов атомного номера в токамаке плазмы.

HIREXSR развернут на Alcator C-Mod, токамака слитого устройства с крупным и малым радиусом 0,67 м и 0,22 м соответственно. Это , как правило , работает с дейтерием плазмы длительностью ~ 2 сек с средней плотностью между 0.2-8.0 х 10 ²⁰ м ^-3 3. В этих условиях от средней до высокой Z примесных элементов становятся сильно ионизированной и излучают в рентгеновском диапазоне, который HIREXSR меры. Сопоставительный анализ атомного моделирования кода рентгеновских спектров , полученных из хорошо диагностированных лабораторной плазмы важно , чтобы оправдать применение таких спектров для определения параметров плазмы , когда другие независимые диагностики не доступны ^4.

Каждый спектрометр построен для его желаемого использования. Соответственно, общее описание о машине и связанных с ним понятий необходимо , чтобы полностью понять эти мощные инструменты ^5. Брэгг отражение происходит , когда фотон отражается от соседних слоев кристалла и проходит расстояние, которое кратно его длины волны. На рисунке 1 изображен этот феномен. Это условие выражается уравнением nλ = 2 d грех θ _б, где п порядок повторногосгибание, λ длина волны фотона, d ì расстояние между соседними слоями кристалла и & thetas _Ь угол Брэгга. Один однозначное соответствие между Х и _Ъ & thetas указывает на то, что все фотоны в определенной точке плоскости детектора перемещения с той же длиной волны. На практике, однако, абсорбционные и точные ограничения проявляются как отклонение от угла Брэгга. Это приводит лишь небольшой диапазон углов , которые производят значительную конструктивную интерференцию, представленная кривой качания ^6. На рисунке 2 показан пример кривой для кристалла кальцита.

HIREXSR является Иоганн спектрометр с сферически изогнутого кристалла ^7. Прежде чем описывать такого рода устройства, обсуждение более простой, круговой спектрометр подходит. Эта установка состоит из изогнутого кристалла, который отражает входящие фотоны в их соответствующих углах Брэгга кпалатах массив одиночных рентгеновских детекторов счета фотонов пикселей. Кристаллическая и детектор лежал по касательной к окружности Роланда, как показано на рисунке 3. Диаметр окружности Роланда равен радиусу кривизны кристалла. Все лучи от заданной точки на окружности до любой точки на кристалле имеют один и тот же угол падения относительно самого кристалла.

. В случае HIREXSR, сферически изогнутого разрешений кристалл пространственным разрешением в меридиональной плоскости, показанном на рисунке 4 Меридиональная фокус е _м определяется следующим образом: F _M = R _с грешить & thetas _Ь, где R _C является радиус кривизны кристалл. Сагиттальный фокус F _s определяется следующим образом: П _С = - F _M / COS 2 θ _б. Пространственное разрешение спектрометра Д х задаетсяот: , Где L _ф является расстоянием между кристаллом и плазмой, и d является высота кристалла. Так как 2-мерное расстояние между кристаллическими слоями дискретно, это необходимо принимать во внимание при выборе материала. Поскольку поверхности детектора являются плоскими, они могут быть только по касательной к окружности Роланда в одной точке, которая, следовательно, дает начало ошибку, так как обнаруженные лучи не посадки именно на их соответствующих точках на окружности Роланда. Физически это рассогласование проявляется как «размыванию» фотонов удельной энергии на детекторе. Эта ошибка Иоганна определяется как , Где L является ширина кристалла. Если детектор пикселя ширина _р ? X гораздо больше погрешности Иоганна, то спектральное разрешение не зависит от него. Если они вповторно сопоставимого размера, то общая ошибка может быть аппроксимирована , Разрешающая способность кристалла спектрометра определяется по формуле: , где , Вместо того , чтобы поместить детектор касательной к точке на окружности Роланда однако, в HIREXSR детектор слегка наклонена , чтобы жертвовать точностью для спектрального диапазона, как показано на рисунке 5. Этот анализ ошибок было экспериментально подтверждено и соответствует ожиданиям ^8.

Есть два важных параметра, которые следует учитывать при разработке спектрометра Иоганна. Во-первых, диапазон изображений определяет, что спектрометр будет наблюдать. Для изучения плазм, крайне желательно, чтобы просмотреть всю его поперечное сечение для того, чтобы различать между сменами линий, вызванных полоидального и toroiвращение декалитров. HIREXSR установлен таким образом, что он может просматривать всю плазму, и слегка наклонена от оси по ~ 8 ° ( как показано на рисунке 6) позволяет получить точные тороидальных измерений. Во-вторых, временное разрешение регулирует минимальное время между событиями, что спектрометр может записать. Для Alcator C-Mod, желательные значения ниже 20 мс, короче энергии и удержания частиц раза. Детекторы подсчета пиксельные рентгеновских лучей , которые HIREXSR использует может поддерживать разрешение по времени от 6 до 20 мс или больше ^9. В таблице 1 приведены все спецификации модуля.

Для пертурбативных исследований плазмы, лазерная обдува система на Alcator C-Mod используется для доставки нескольких абляции с точным временем ^10. Лазер является Nd: YAG (неодим-иттрий-алюминиевого граната), работающий с частотой до 10 Гц. Лазер падает на дистанционно управляемый оптический поезд , как показано на рисунке 7 , которая фокусируется и бычковлуч в нужное место на слайде. Точечные размеры лазера необходимо контролировать таким образом, инъекции не нарушает плазму. Большое фокусное расстояние (1146 мм) объектив сходящихся переводится вдоль оптической оси с помощью дистанционно управляемой линейной стадии, чтобы позволить ABLATED размеры пятна варьируется в пределах от ~ 0,5 до 7 мм. Быстрое управление лучом достигается с помощью 2D-пьезоэлектрического зеркало. Эта пьезоэлектрический система монтируется к RS232 приводом зеркала крепление способна. В дополнение к Nd: YAG лазера, диодного лазера на 633 нм используется для указания местоположения основного (ИК) луча. Балки сделаны быть коллинеарны через первое зеркало.

Protocol

1. Выбор соответствующего материала спектральных линий

1. Выберите соответствующие эмиссионные линии , которые будут определять качество полученных данных. На рисунке 8 показано , какие благородные эмиссионные линии газа будет иметь значение при различных значениях температуры электронов.
   1. Следует отметить, что коэффициенты состояние ионизации и линии определяются конкуренцией ионизации, ударным возбуждением, излучательной рекомбинации и диэлектрической рекомбинации. Эти процессы могут меняться в зависимости от плотности и температуры плазмы. Смотри рисунок 9 для примера этого изменения.
2. См других опубликованных работ для длин волн и относительных преимуществ эмиссионных линий, представляющих интерес. В этом протоколе, используют средние Z He-подобных ионов, охарактеризованной в рисе, JE и др. (2015) ^4. Смотри рисунок 10 для примера спектра.
3. Обратите внимание, что важно изучить спутники из линий за пределами основной серии, так как они совместноÜLD быть нерешенным с линиями, которые измеряются. Некоторые внутренние примеси (Fe, Mo, ​​Ti и т.д.) всегда будет присутствовать из состава плазмы , обращенных и компонентов в токамаке. Например, на рисунке 11 показывает , аргон Ly _α1 является лучшим выбором , чем _{ALPHA 2} линии Ly , поскольку последний пересекается с молибденовым линией.
4. Для получения плазмы в температурном диапазоне около 0,5-3 кэВ, захватить следующие Он-подобные линии для аргона (все из п = 2 переходы): резонанс (ш, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ¹ P _1), запретных (г, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ S _1), и интеркомбинационного (х, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P ₂ и у, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P _1). Для аргона п = 2 переходов, Н-подобный спектр лежит между 3,72 A <X <3,80 Å и He-как SPECTRгм лежит между 3,94 Å <λ <4,00 Å. Смотри рисунок 11 и рисунок 12 для участков этих спектров.

2. Монтаж HIREXSR Hardware

1. Обратитесь к соответствующим опубликованных работ для деталей и особенностей по монтажу и строительству HIREXSR ^1,2,5. В этом разделе основное внимание будет уделено наиболее важных и критических шагов в этой процедуре.
2. Гора HIREXSR на одном из ипподрома в форме портов Alcator C-Mod, под углом, чтобы в течение 8 ° внедиагональная зрения.
3. Получить круговой (102) -quartz кристалл с расстоянием 4,56215 Å 2d, диаметром 50 мм и радиусом 1385 мм кривизны для просмотра H-подобный спектр.
4. Получают прямоугольное (102) -quartz с 4.56215 2D-шагом, шириной 64 мм и высотой 27 мм, чтобы просмотреть Он-подобный спектр.
5. Вставка и крепление обоих кристаллов в корпусе HIREXSR путем доступа к жилью спектрометра черезлюк, расположенный на его стороне. Смотрите Рисунок 13 для их расположения.
6. Через тот же люк, Болт четыре детектора на назначенном подвижных опор в корпусе спектрометра, оставляя за собой один детектор для Н-подобного спектра, а остальные три для он-подобного спектра. Такая компоновка показана на рисунке 14.
7. Установить опоры 125 см от кристаллов таким образом, что линия от центра кристаллов к тому , что из детекторов составляет угол & thetas _B / 2 с линией из центра окружности Роланда в центре кристалла, где & thetas _б является угол Брэгга центра спектра измеряемого параметра. Смотрите рисунок 5.
   1. Обратите внимание , что для аргона, Н-подобный кристалл использовали результаты θ _B = 55,5 °, и он, как кристалл , используемые результаты в θ _B = 60,5 °.
8. Угловые датчики, чтобы соответствоватьмодифицированное устройство показано на фиг.5.
   1. Следует отметить, что точное выравнивание детекторов не имеет значения, так как собранные данные будут откалиброваны по известным источником в ходе экспериментального пробега.
9. гелия атмосфера отдельных HIREXSR от вакуума токамака путем установки 0,001 "толщиной и 4" диаметр бериллиевого окна. Смотрите Рисунок 13 для его расположения.
10. Установка 10 "задвижка между окном и реактором для защиты от выхода из строя окна бериллий.
    1. Обратите внимание, что запорный клапан должен закрываться, когда локальное давление поднимается выше 10 мТорр во избежание повреждения как спектрометра и токамака.
11. Обратитесь к рисунку 6 и Рисунок 15 для сверху вниз и сбоку, соответственно, HIREXSR и Alcator C-Mod, наряду с относительными расстояниями детекторов и кристаллов, а также между спектрометром и токамака.

1. Обратитесь к соответствующим опубликованных работ для деталей и особенностей по конструкции лазерного устройства ¹⁰ обдув.
2. Для того, чтобы придать кальций, возьмите ₂ слайд 2 мкм CaF с 100 Å хрома (для облегчения поглощения лазерного в материале) и поместите слайд в систему сдува лазера. Поскольку это требует доступа к реактору C-Mod, сделать это до операции начинаются в течение дня.
3. Изменение к каналу 14 на замкнутой системе кабельного телевидения Alcator C-Mod для просмотра черно-белой ПЗС-камеры, которая наблюдает слайд. 633 нм лазерный диод пятно должно быть видно на слайде.

4. Запуск эксперимента Плазменный

1. В начале дня запуска, запустите скрипт, который будет собирать и сохранять данные от детекторов подсчета пикселей рентгеновского излучения для каждого экспериментального пробега, или "выстрел". Это будет зависеть от конкретной установки детектора в НОАКе. Шаги, характерные для HIREXSR представлены здесь.
   1. С рабочей станции в комнате управления C-Mod, растим терминал командной строки.
   2. Подключение к детектору удаленно, введя "SSH -X Det @ dec0xx", где хх колеблется от 07-10.
   3. Изменение каталогов, введя "CD p2_1mod"
   4. Выполните команду "runtvx". После этого появится окно, в котором будет лавинных с текстом.
   5. После того, как текст останавливается, нажмите дважды войти. Сценарий запуска будет установить частоту кадров до 50 Гц и пороговой энергии до ~ 2 кэВ. Еще одна лавина текста будет происходить и детекторы начнут калибровку.
   6. Подождите, пока все это не закончится, и введите "выход" в окне.
   7. Повторите эти действия для каждого детектора 07-10.
2. В течение всего дня, поддерживать атмосферу гелия в HIREXSR немного выше температуры окружающей среды за счет непрерывного закачивания газа в корпус на время операции. Это уменьшает атмосферный рентгеновской ATTENтуация и тепловое расширение кристалла.
3. Сотрудничать с на месте инженерно-технического персонала для обеспечения плазмы достигает желаемых параметров плазмы в ходе предстоящего выстрела. Если параметры изменяться от кадра к кадру, сообщить об этом инженерно-технического персонала между каждым выстрелом.
   1. Кроме того, где-то в течение дня выполнения, запрос "Locked режим" Кадр из инженерно-технического персонала для калибровки данных, полученных в тот же день. См Рейнке и др. 2012 ¹ для объяснения запертых режимов и как они используются для калибровки.
4. Для пертурбативных транспортных исследований: Перед каждым выстрелом, программировать систему обдува лазера , чтобы придать нужную концентрацию примесей без вторичной переработки (CaF _2, Sc и т.д.) в плазме в нужное время.
   1. Принятие решения о размере лазерного пятна, который контролирует количество материала ABLATED из слайда. Из опыта работы в Alcator C-Mod, примерно 10% от абляцированную партнерариал делает его в ядро плазмы во время работы с низким энергопотреблением ^10. Типичные размеры пятна в диапазоне от 0,5 до 3,5 мм.
   2. Определение желаемых тайминги обдув, имея в виду максимальную скорость работы 10 Гц.
   3. Введите желаемый размер пятна и тайминги к обдува графического интерфейса управления системой лазера. Например, транспортное исследование Rice и др. 2013 г. ¹¹ варьировали размеров пятен от 0,5 до 3,5 мм и имели инъекции через каждые 300 мсек.
5. Для всех исследований: Установить газовый клапан для слоеного аргона в плазме 0,3 сек после того, как начинается плазма. Слоеного должна длиться около 0,1 сек и повысить плотность аргона до примерно 10 ^-4 раз плотность электронов.
6. Используйте dwscope для просмотра в реальном времени диагностические данные в течение дня запуска для систем, использующих MDSplus, таких как C-Mod.
   1. С рабочей станции в контрольной токамак комнате, открытой dwscope из меню приложения
   2. Получить один или более широкие возможности файлов с соответствующими диагностики, показанными из Анофэр пользователя, или создавать новые пользовательские режимы, используя MDSplus Tree Command Language (продвинутый).
   3. Нажмите кнопку "Настройка | Использовать настройки из ..." и выберите файл область, чтобы загрузить его. Полезный пример сфера, plasma_n_rot_z.dat, показано с графическим интерфейсом dwscope на рисунке 16.
   4. Оставьте текстовое поле в нижней панели заготовки и данные будут загружены из самого последнего выстрела.
   5. При желании, введите номер выстрела и нажмите кнопку "Применить", чтобы загрузить данные из конкретного кадра.
7. Информ инженерных операторов, что все приготовления к предстоящей выстрел являются полными и что они могут идти, чтобы зажечь плазму.
8. Подождите операторов для инициирования плазмы и для него до конца. В Alcator C-Mod, процесс инициирования будет длиться около 3 мин, и плазма будет гореть в течение менее чем 10 секунд.
   1. При использовании обдува лазерной системы, визуально подтвердить слайд абляции через поле зрения камеры слайда (обратитесь к разделу 3).
   Подождите, пока токамак для охлаждения для того, чтобы перейти к следующему кадру. В Alcator C-Mod, этот процесс будет длиться 10-15 мин.
   1. Используйте это время, чтобы сделать какие-либо изменения в экспериментальной установки и передать их операторам, таким образом они могут быть применены в дальнейшем, при желании.
9. Обратите внимание, что если какие-либо изменения в аппаратных средствах желательно, исследователи должны запросить "доступ" к ячейки операторов, в течение которого они будут открыты токамака и расцепить другие функции безопасности, чтобы позволить людям войти окружение Alcator C-Mod в. В противном случае, неограниченный доступ в Интернет предоставляется до и после дня выполнения. Шлемами всегда следует носить при работе вблизи реактора.
10. Используйте dwscope, как и раньше, чтобы рассмотреть любые необходимые диагностики плазмы после дня запуска заключил.
    1. Обратите внимание, что данные могут также быть программно доступны через различные MDSplus API, для разных языков.

5. КалибровкаHIREXSR Locked данных Режим Использование THACO

1. Использование В HIREXSR анализ кода (THACO) , чтобы инвертировать данные HIREXSR, что линия интегрированных ^12. Справочная информация и подробная разбивка всех этих шагов можно найти в Интернете в неопубликованной руководстве THACO на MIT Plasma Science и Fusion Center (PSFC) онлайн-библиотеке. В этом разделе описывается настройка первого времени и запуск THACO, а затем процесс калибровки.
2. Следуйте инструкциям на вики-странице Alcator C-Mod для THACO настроить THACO для использования в первый раз на машине, подключенной к сети PSFC. Вам также может понадобиться запросить доступ на запись к дереву СПЕКТРОСКОПИИ от администратора сети.
3. Введите 'IDL' в командной строке от запуска интерфейса командной строки IDL.
4. Из IDL, введите '@ thaco.bat' для запуска THACO.
5. Определение заблокированного режима, который будет использоваться для калибровки данных.
   1. Откройте веб-браузер и перейдите к судовой журнал PSFC.
   2. Нажмите & #34; пользовательская кнопка запроса ", чтобы открыть страницу поиска.
   3. В текстовом поле пользовательского запроса, введите "SHOT LIKE '1yymmdd %%%' и текст, как '% заблокированными%'", где ггммдд является год / месяц / день в день запуска, чтобы открыть записи журнала, содержащие текст Locked Режим.
   4. Определить выстрел номер режиме блокировки от записей журнала, и принять к сведению запертых режима пуска / конца времен.
   5. Обратите внимание , что наличие заблокированного режима базовой линии не является строго необходимым для всех диагностики, как и те , которые вовлекают отношения линий , как определения электронной температуры ^13, но настоятельно рекомендуется , так как угол Брэгга может меняться изо дня в день из - за кристаллической решетки расширения / договаривающаяся ¹⁴ ,
6. В THACO GUI, введите заблокированный режим съемки номер в текстовое поле "(ACTIVE) SHOT", и нажмите клавишу ВВОД.
7. Нажмите кнопку "Launch W_HIREXSR_CALIB" и запуск калибровки виджет.
   1. В окне йна выскакивает, убедитесь, что поле с надписью "SHOT" содержит заблокированный режим съемки номер, и принять к сведению числа в "МОДУЛЬ". Нажмите клавишу ВВОД после внесения любых изменений в любой области.
   2. Нажмите на кнопку "Загрузить" в верхней трети окна и ждать, пока данные будут загружены.
   3. Нажмите кнопку "Загрузить" в средней трети окна и ждать больше данных, которые будут загружены.
   4. Если данные успешно загружены и подходят эллипсы хорошо выглядеть, повторите шаг калибровки с другим номером в поле "Модуль" (1-4), так как заблокированный режим выстрела уже откалиброван.
   5. Если все модули (1-4) уже откалиброван, пропустить остаток калибровки и выравнивания детектора шагов, так как снимок уже калиброванных и переходите непосредственно к разделу 6.
8. Начинают спектральную установку, выбрав соответствующую опцию в верхнем правом углу окна. Только H-как и Он, как Аг и Са спектры авновь поддерживает из коробки в данный момент.
   1. Установите "t1 =" и "t2 =" поля в запертое режиме старт / конец времен соответственно, которые упоминаются в бортовом журнале.
   2. Переместите "FIT LOW" и "не FIT HIGH" ползунков до области посадки, обозначенный пунктирными белыми линиями наложенных друг на друга по спектру в верхнем левом углу, содержит только область, где спектральные линии, представляющие интерес, явно разрешенное.
   3. Нажмите кнопку "FIT / SAVE SPECTRA" и ждать фитинга завершения процесса.
   4. После того, как процесс настройки закончен, использовал "SPEC" ползунок или влево / вправо стрелки рядом с ним в средней трети GUI для визуального осмотра всех спектральных припадков.
   5. Удалите все плохо или останец подходит, проверяя "BAD" флажок рядом с ползунком "SPEC". Ссылка работы, найденные на шаге 1.3 для сравнения с известными спектрами. Например, он подобные спектры Са будут похожи на рисунок 10.
   6. Начните эллипсом фитинга, выбрав нужную линию (ш, х, у, г) от нижней трети графического интерфейса пользователя.
      1. Нажмите на кнопку "FIT эллипсов" и ждать эллипсы, чтобы быть пригодным к спектральным припадков.
      2. Переместить "низкий", "высокий" и "OUTL" ползунков до тех пор, пока эллипс не подходят визуально соответствует спектров. Многоточие подходят с нелинейным наименьших квадратов методом MPFIT ^15, который может быть привередливым.
      3. Нажмите кнопку "Сохранить" эллипсов, когда сделано, и повторить процесс со следующей желательной линией.
      4. Когда все линии были нужным, изменить "модуль" на другой модуль (1-4), который не был откалиброван еще и нажмите клавишу ВВОД и перейти снова с шага 5.7.1.
      5. Когда все модули были откалиброваны, нажмите на кнопку "Выход" (не 'х'), чтобы закрыть виджет.
   7. Нажмите кнопку "Launch W_HIREXSR_DET_ALIGN", чтобы запустить виджет выравнивания детектора. <ол>
   8. В поле "выстрелит", введите номер выстрела из недавнего известного заблокированном режиме, который уже калиброванного и нажмите клавишу ВВОД. Обратите внимание на поле "Модуль".
   9. Нажмите на кнопку "Загрузить" и ждать, пока данные для загрузки.
   10. В нижнем левом углу экрана, запишите все значения ползунка в "ДЕТЕКТОР ПОЗИЦИИ" панели.
   11. В поле "выстрелит", введите выстрел номер режиме блокировки калибруется и нажмите клавишу ВВОД.
   12. Нажмите на кнопку "Загрузить" и ждать, пока данные для загрузки.
   13. Введите значения записаны ранее в "ДЕТЕКТОР ПОЗИЦИИ" панели, нажимая клавишу ВВОД после каждого изменения.
   14. Измените значения в "ДЕТЕКТОР ПОЗИЦИИ" панели, либо с помощью ползунков или вручную изменять значения в текстовых полях, пока все или большинство из круговых остатков не лежат в пределах зеленой полосы.
   15. Измените значение в поле "Модуль" к модулю (1-4), который не был приведен в соответствие еще и рССГ войти. Затем переходите от стадии 5.10.1.
   16. Когда все модули были приведены в соответствие, нажмите кнопку "Выход" (не 'х'), чтобы закрыть виджет.
   17. Калибровка делается сейчас; перейдите к разделу 6 с заблокированного режима съемки.

6. Расширенный анализ HIREXSR данных Использование THACO

1. Использование В HIREXSR анализ кода (THACO) , чтобы инвертировать данные HIREXSR, что линия интегрированных ^11. Справочная информация и подробная разбивка всех этих шагов можно найти в Интернете в неопубликованной руководстве THACO на MIT Plasma Science и Fusion Center (PSFC) онлайн-библиотеке. Этот раздел охватывает фактический процесс инверсии для просмотра профиля данных.
2. Определить количество выстрела для выстрела интереса.
3. Из THACO GUI, установите в поле "(ACTIVE) SHOT" на номер выстрела, и нажмите клавишу ВВОД. Графический интерфейс пользователя должен подтвердить изменение в журнале на дне.
4. Выберите спектральной линии, представляющей интерес, в поле &# 34;. LINE "на номер строки, представляющие интерес для аргона, обычно это будет 2 для он-лайн, как г и 3 для H-как lya1 линии.
   1. Нажмите кнопку "СПИСОК THACO номера строк", чтобы перечислить все номера строк доступны.
5. Нажмите на вкладку "Биннинг" в верхней части графического интерфейса пользователя.
   1. Нажмите "CHECK THT ДОСТУПНОСТИ", чтобы проверить наличие THACO Tree (THT). В нижней части графического интерфейса должны войти все доступные деревья THACO.
   2. Установите значение в поле "Новый THACO дерева (THT) номер" на первый номер не перечисленных в наличии.
   3. Нажмите кнопку "Создать", чтобы создать новый THT поэтому предыдущий анализ не будет перезаписана.
   4. Нажмите кнопку "CHECK THT ДОСТУПНОСТИ" еще раз, чтобы обновить список доступных THTs.
   5. Измените значение в поле "THT" рядом с "(ACTIVE) SHOT" поля к вновь созданному номеру THT, и нажмите клавишу ВВОД. Журнал GUI должен признать это действие.
6. Если Tон тока выстрел не заблокирован режим, нажмите на вкладку "CALIB" в верхней части графического интерфейса пользователя.
   1. Изменение "калибровки данных из кадра" в режиме блокировки, которые будут использоваться для калибровки данных.
   2. Нажмите кнопку "Copy" для копирования калибровки.
7. Перейдите на вкладку "Биннинг" снова.
   1. Обратитесь к руководству THACO инструкции по осуществлению пользовательских binnings.
   2. Чтобы скопировать биннинг из предыдущего анализа, введите кадр / THT в соответствующих областях (нажимая клавишу ВВОД после каждой смены) в панели с кнопкой "Копировать".
   3. Копирование через биннинга: Выберите "Ответвление А" и нажмите кнопку "COPY", затем выберите "ФИЛИАЛ B" и нажмите кнопку "COPY" снова.
8. Перейдите на вкладку "Профили" в верхней части графического интерфейса пользователя.
   1. Обратитесь к руководству THACO для получения инструкций о том, как использовать расширенные функции, присутствующие в этом разделе.
   2. В противном случае, введите кадр / THT сюдама предыдущий анализ в соответствующих областях (нажимая клавишу ВВОД после каждого изменения) в верхней панели.
   3. Нажмите на кнопку "Load RHO", а затем кнопку "Load хорошо".
9. Нажмите кнопку "RUN THACO", и THACO начнет процесс инверсии. Это может занять несколько минут.
10. Обратите внимание, что THACO на самом деле происходит через ряд самостоятельных шагов в ходе этого процесса: запуск нескольких Gaussian посадку на спектры для расчета моментов различных линий, используя те моменты, для расчета данных профиля линии интегрированных, а затем инвертировать данные строки интегрированные через метод наименьших квадратов. Промежуточные выходы из этих шагов, полезных для устранения неполадок, можно найти в моменты и профили виджетов. Заинтересованные пользователям рекомендуется просматривать инструкции THACO для получения дополнительной информации об этих шагах и как использовать эти виджеты для более мелкозернистой контроля над процессом инверсии.
11. После того, как процесс инверсии ФиниShes, от "профилей" на вкладке нажмите кнопку "LAUNCH_W_HIREXSR_PROFILES", чтобы визуально осмотреть профили.
    1. Нажмите кнопку "Загрузить" в "Дерево I / O" панели в нижней части и ждать, пока данные для загрузки.
    2. Если автоматизированный процесс не удается, найти "DO инверсий ЗА" и нажмите кнопку "ALL", чтобы быстро переделать все инверсий.
    3. Вручную проверить перевернутые профили справа, используя "TIME" ползунок в нижней части, чтобы изменить кадры.
    4. Если есть какие -то перевернутые профили , которые , как представляется , неправильно (например, отрицательные температуры, нефизические градиенты к краю, и т.д.), используйте кнопки - / + рядом с "CH #" для выбора Outlier каналов на левой, и снимите "ХОРОШО", чтобы удалить их из стадии инверсии.
       1. Следует отметить, что выбросы, как правило, слабее к краю таким образом неопределенность выше; Тем не менее, перевернутый температура должна по-прежнему идти небольшой (не обязательно) гзначение эро на краю.
    5. Найти "DO инверсий ЗА" и нажмите кнопку "ТОК", чтобы инвертировать профиль для текущего кадра. Повторите удаления выбросов до перевернутый профиль не кажется правильным.
    6. Нажмите "SAVE" после того, как данные, кажется удовлетворительной.
    7. С помощью виджета профилей для проверки данных.
12. При желании, нажмите кнопку "Launch W_HIREXSR_COMPARE" на вкладке "Compare" сравнивать профили, построенные из различных спектральных линий. Обычный сценарий, где это полезно, когда температура ядра плазмы становится достаточно горячим для аргонодуговой Н-подобного излучения перегнать He-подобного излучения.
13. Обратите внимание, что данные могут также быть программно доступны через различные MDSplus API, для разных языков. Обратитесь к руководству THACO для соответствующих путей.

Representative Results

Представительная выборка данных из пиксельного детектора для одного временного бункера для спектра He-подобного аргона показано на рисунке 17. Спектральные линии, согнутые в эллиптическую форму с помощью сферического кристалла, отчетливо видны. Верхний детектор имеет сломанную панель детектора, и есть некоторые мертвые пиксели, разбросанные по всем детекторам. Данные панели разбитого детектора следует игнорировать. Ломтики от детектора показаны измеренные спектры и результаты спектральной подгонки сделанной THACO по одному аккорду показаны на рисунке 18 и рисунке 19. Полученная линия интегрированные данные профиля показано на рисунке 20.

Примером перевернутой и температуры плазмы тороидальным профилем скорости , создаваемого THACO из Он-подобных линий аргона можно увидеть на рисунке 21. Измеренные температуры ионовот HIREXSR согласен с независимыми диагностики в других измерительных каналов ^1. Используя аргон, примесь рециркуляции, позволяет профили ионов должны измеряться в течение всей эволюции плазмы. Это очень важно для транспортных исследований , таких как в рисе и др. 2013 г. ^11, в котором эволюция исследования плазмы с течением времени шкал больше , чем время удержания примеси. Если детекторы вместо расположены для измерения переходных примесей, таких как кальций, HIREXSR бы предоставить данные переходные профиля. См Howard и др. , 2011 ¹⁰ для такого исследования.

Рисунок 1. Иллюстрация брэгговского отражения. Поступающие лучи будут отражать и конструктивно интерферируют в зависимости от их угла падения и длины волны. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы просмотреть увеличенная версия этой фигуры.

Рисунок 2. Кривая качалка для кристалла кальцита. Черная кривая наилучшим образом подходит к наблюдаемым данным, в то время как пунктирная линия представляет идеализированный случай , когда нет поглощения.

Рисунок 3. Johann Спектрометр с изогнутым кристаллом. Поступающие лучи , падающие на том же месте на окружности имеют один и тот же угол падения на кристалл и в конечном итоге на том же месте на детекторе. Пожалуйста , нажмите здесь для просмотра большая версия этой фигуры.

d / 54408 / 54408fig4.jpg "/>
Рисунок 4. Иоганн Спектрометр с сферически изогнутым кристаллом. Сферическая перекос кристалла позволяет пространственное разрешение вдоль меридиональной плоскости, так что спектры захватываются вдоль нескольких линий усредненной аккордов через плазму. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы увидеть увеличенную версию эта фигура.

Рисунок 5. Выравнивание детектора кристалл используется в HIREXSR. В HIREXSR, детектор находится под углом немного от стандартного расположения для обеспечения большего диапазона длин волн необходимо измерить. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6. Сверху вниз CAD Вид HIREXSR. Это САПР чертеж показывает относительное расположение двух массивов детекторов и спектрометров кристалла в токамак вакуумный сосуд, который содержит плазму. Sightline спектрометра наклонен немного от оси, чтобы позволить тороидальный вращения измеряется с помощью доплеровского сдвига.

Рисунок 7. Схема оптической системы. На этом рисунке показана схема оптической системы для лазерной обдува системы от Говарда и др. ^10.

Рисунок 8. дробного заряда Государственный Изобилие для различных благородных газов. Этот график показывает состояние обилиями дробный заряддля различных благородных газов в корональной равновесии. Полностью раздетые состояния в показано сплошными линиями, H-как с прерывистая, Он-как с Штрихпунктирная и Ne-как с тире-точка-точка. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 9. Ca ¹⁸⁺ K / W Яркость показателей. Измеренная аккорд усредненный коэффициент яркости диэлектронной спутника к к резонансной линии W в He-подобных Са ¹⁸⁺ (красные точки) по сравнению с теоретической кривой (зеленая линия).

Рисунок 10. Измеренные Он, как Ca ¹⁸⁺ Spectrum. Измеренная Он, как Са ¹⁸⁺ (ш, х, у, г) спектр с satelli TES (наиболее известный '4', '3', Q, R и K) показана точками. Синтетический спектр, вычисленный с ударно-излучательной моделирования показано сплошной линией.

Рисунок 11. Измеренные H-как Ar ¹⁷⁺ Spectrum. Измеренная спектр _альфа дублета Ar ¹⁷⁺ Ly и близлежащих спутников (зеленые точки), с синтетическим спектром (красная линия). Обратите внимание на перекрытие между ³²⁺ линии Мо и _{ALPHA 2} линии Ly.

Рисунок 12. отмерил типа Ar ¹⁶⁺ Спектр. Измеренные спектры рентгеновского излучения в непосредственной близости от Ar ¹⁶⁺ ш резонансных линий. Обратите внимание на масштаб журнала.

Юр 13 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 54408 / 54408fig13.jpg "/>
Рисунок 13. Внутренний вид , показывающий все кристаллы и Be окно. Окно бериллий (а) и кристаллов (б) показаны, если смотреть изнутри корпуса. Окно Be помечена зеленым, сферическом кристалла с красным и прямоугольного кристалла с фиолетовым.

Рисунок 14. Внутренний вид , изображающий детекторы. Массив три детектора для He-спектров , как показано слева в (а), так и для Н-подобных спектров показано справа в (б). Три детекторы, используемые для He-подобных спектров позволяют для захвата спектров из ядра и края плазмы одновременно.

Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 16. Пример Вид dwscope. На этом рисунке показан снимок экрана экземпляра dwscope. Line-интегрированные данные из HIREXSR выделена красной рамкой. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 17. Пример Detector Output. На этом рисунке показан пример необработанных данных , собранных дедетекторы над одним временем бункер для его типа (верхний, средний) и Н-типа спектров (внизу) аргоном. Ось ординат соответствует длине волны, а ось х в меридиональном угол. Спектральные линии, согнутые в эллиптическую форму сферической кристалла, отчетливо видны. Верхняя (1x усиление) и нижней (2x усиление) спектры из ядра, а средний спектр (8х прибыль) от края. Пунктирные зеленые линии разделяют различные области для спектрального фитинга кода. Верхний детектор имеет сломанную панель детектора, и есть некоторые мертвые пиксели , разбросанные по всем детекторам. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 18. Пример Собранные H-подобные спектры. Измеренные линии усредненная яркость по аргонно Н-подобного спектра дляодиночный аккорд и время BIN (верх, белый), что соответствует одной колонке пикселей в нижней детектора на рисунке 17. Удаленный фон отображается зеленым цветом, и мульти-гауссовским нужным показан в голубой цвет. Общий пригодный композитный спектр показан красной линией, и остатки находятся в нижнем рисунке. Обратите внимание на соглашение с Рисунок 11.

Рисунок 19. Пример Собранный Он типа спектров. Измеренное линия усредненной яркости по аргонно-он как спектра для одной хорды и времени бункера (верхний, белый), что соответствует одной колонке пикселей в верхнем детектора на рисунке 17. Удаленную фон отображается зеленым цветом, и мульти-гауссовским нужным показан в голубой цвет. Общий пригодный композитный спектр показан красной линией, и остатки находятся в нижнем рисунке.

Рисунок 20. Пример линейного интегрального профиля. На этом рисунке показан пример данных линейных интегрированных порожденных THACO из результатов линии фитинга. Она должна быть tomographically перевернутой вернуть полный профиль.

Рисунок 21. Пример инвертированного Plasma профилей. На этом рисунке показан пример данных , которые были инвертируется THACO для получения температуры и тороидальные профили вращения. HIREXSR позволяет как пространственное разрешение (вдоль оси у) и временным разрешением (вдоль оси х). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Тип датчика	Обратный предвзятым массив кремниевых диодов
Датчик Толщина	320 мкм
Размер пикселя	172 мкм × 172 мкм
Формат	487 × 195 = 94,965 пикселей
Площадка	83,8 мм × 33,5 мм
Динамический диапазон	20 бит (1: 1048576)
Скорость счета на пиксель	> 2 × 10 6 Рентген / сек
Диапазон энергий	3-30 кэВ
Энергетическое разрешение	~ 500 кэВ
Регулируемый диапазон Порог	2-20 кэВ
Отсчет времени	2.7 мс
Максимальная частота кадров	300 Гц
Функция рассеяния точки	1 пиксель
Внешний Tмонтера / ворота	5 В TTL
потребляемая мощность	15 Вт
Габаритные размеры	275 × 146 × 85 мм
вес	1 кг

Таблица 1. Технические характеристики детектора. В данной таблице спецификации детектора списки , имеющие отношение к разработке HIREXSR.

Discussion

Данные, полученные с помощью этой методики могут быть использованы в самых разнообразных экспериментальных исследований. Ионная температура и тороидальные профили скорости могут быть использованы в широком диапазоне транспортных исследований, в том числе внутренней самообразующейся вращения плазмы и нелокальные пертурбативных эффектов. Измерение спектров внедренных примесей с помощью лазерного обдува также может предоставить важную информацию о переноса примесей в плазме, как это было сделано в Howard и др. 2011 ^10. В это время, никакой другой диагностики плазмы может обеспечить время и пространственное разрешение ионного профиля данных из плазмы сердечника ^1, что делает рентгеновских изображений спектроскопии новый метод для исследования поведения плазмы.

Самым важным шагом в протоколе является идентификация спектральных линий в области длин волн, представляющих интерес. Важно, что линии наблюдают сильны, чтобы обеспечить хорошие подсчета статистики, и разрешен из обоих друг друга и флористикуг спутниковые линии. Относительная сила этих линий может резко измениться с различными температурами, и квантовые процессы, такие как диэлектрический рекомбинации может иметь измеримые эффекты.

Если спектральные линии являются слабыми, это может быть возможным, чтобы улучшить их прочность путем введения более измеряемой примеси. Если другой диапазон длин волн представляет интерес, детекторы просто необходимо перемещаться вдоль окружности Роланда, до тех пор, пока угол Брэгга до сих пор между более 45 °, чтобы избежать расходящихся лучей и менее чем 80 ° для предотвращения помех между входящим и отраженные фотоны. Частота кадров детекторов также могут быть изменены, чтобы быть быстрее или медленнее. Детектор не подсчитывает фотоны во время считывания, так что доля захваченных фотонов увеличивается с более длинными кадрами, что позволяет лучше статистики в полученных данных.

Интерфейс спектрометр-реактор должен быть герметичными до 10 ^-9 станд куб /сек и способен выдерживать перепад давления в 1 атм в обе стороны. Окно бериллий является идеальным выбором для этого интерфейса благодаря своей высокой прочности и хорошей коэффициента пропускания рентгеновского излучения, что составляет около 40% для 3,1 кэВ рентгеновского излучения. Атмосфера гелия поддерживается в корпусе HIREXSR уменьшить рентгеновскую затухание примерно до ~ 1% поступающих лучей. Константа откачки гарантирует, что воздух не протекает в корпус и загрязнять местную атмосферу. Эти системы должны быть перепроверены на предмет утечек, чтобы обеспечить рентгеновские лучи делают его к детекторам.

Вакуумная камера будет идеальным жилье для спектрометра. Тем не менее, такая камера является очень дорогим и непрактичным для поддержания такого большого спектрометра. Дальнейшее совершенствование может сосредоточиться на использовании новых методов или последние инновации для создания интерфейса спектрометра-реактора и местную атмосферу, которая сводит к минимуму поглощение рентгеновских лучей, или попытаться сделать текущие или подобные конструкции дешевле и море жизнеспособными.

Техника ограничена его требованиями температуры, так как плазма должна быть достаточно, чтобы ионизировать примесь интерес горячей, но достаточно круто, чтобы позволить рекомбинацию. Кроме того, Н-типа, и он-подобных состояний ионизации, являются предпочтительными, так как их спектры значительно проще и легче охарактеризовать. Это означает, что трудно получить данные из холодильника края плазмы, и это может потребовать физической переконфигурации машины, чтобы получить полезные данные из плазмы во всем диапазоне температур токамака. Кроме того, методика несколько ограничена необходимостью запуска калибровки выстрела из-за теплового расширения кристалла-спектрометра. Это можно было бы улучшить в будущем с усилением контроля температуры на кристалле, или другие новые методы калибровки.

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