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应用X射线成像晶体光谱技术作为高温等离子体诊断方法

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DOI：

10.3791/54408

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2016年8月25日

 ,  , 
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

本文内容

摘要

X射线光谱为高温等离子体提供了丰富的信息。本文介绍了用于观测托卡马克等离子体中中等原子序数元素的类氢和类氦离子的高波长分辨率空间成像X射线谱仪的操作方法。

摘要

X射线光谱为高温等离子体提供了大量信息；例如，可通过谱线强度比推断出电子温度和电子密度。利用观测等离子体的约翰型（Johann）光谱仪，可以以良好的空间和时间分辨率构建等离子体参数（如密度、温度和速度）的分布剖面。然而，利用已得到充分诊断的实验室等离子体所获得的X射线光谱对原子模型代码进行基准验证，对于在缺乏其他独立诊断手段时使用此类光谱确定等离子体参数具有重要意义。本文介绍了高分辨率带空间分辨X射线晶体成像光谱仪（HIREXSR）的操作方法，这是一种具有高波长分辨率的空间成像X射线光谱仪，用于观测托卡马克等离子体中中等原子序数元素的类氢和类氦离子。此外，本文还介绍了一种激光吹蚀系统，该系统能够以精确的时间将此类离子注入等离子体，从而实现对等离子体输运特性的扰动研究。

引言

X射线谱为高温等离子体提供了大量信息；例如，可通过谱线强度比推断出电子温度和电子密度。利用离轴观测等离子体的约翰内斯（Johann）谱仪，可以以良好的空间和时间分辨率构建等离子体内部参数（如密度、温度和速度）的分布剖面1,2。本文介绍了高分辨率带空间分辨X射线晶体成像谱仪（HIREXSR）的操作方法，该仪器是一种具有高波长分辨率和空间成像能力的X射线谱仪，用于观测托卡马克等离子体中中等原子序数元素的类氢和类氦离子。

HIREXSR 被部署在 Alcator C-Mod 上，这是一种环形半径和小环半径分别为 0.67 m 和 0.22 m 的托卡马克聚变装置。它通常在氘等离子体中运行，等离子体持续时间约为 2 秒，平均密度介于 0.2–8.0 × 1020 m-3 之间，中心电子温度介于 1–9 keV3 之间。在此条件下，中高 Z 杂质元素高度电离，并在 HIREXSR 可测量的 X 射线波段辐射。利用诊断良好的实验室等离子体获得的 X 射线光谱对原子模型代码进行基准验证，对于在缺乏其他独立诊断手段时利用此类光谱确定等离子体参数具有重要意义4。

每台光谱仪都是根据其特定用途构建的。因此，有必要对仪器及其相关概念进行一般性描述，以充分理解这些强大的工具5。当光子从晶体的相邻层反射并传播一段等于其波长整数倍的距离时，就会发生布拉格反射。图1描绘了这一现象。该条件由公式 nλ = 2d sin θb 表示，其中 n 为反射级次， λ 为光子的波长，d 为晶体相邻层之间的间距，θb 为布拉格角。λ 与 θb 之间的一一对应关系表明，探测器平面上某一特定位置的所有光子均具有相同的波长。然而在实际中，由于吸收效应和精度限制，会出现偏离布拉格角的情况。这导致只有很小的角度范围内能产生显著的相长干涉，该范围由摇摆曲线表示6。图2为方解石晶体的一条典型摇摆曲线示例。

HIREXSR 是一种采用球面弯曲晶体的约翰型光谱仪7。在描述此类装置之前，先讨论一种更简单的圆形光谱仪是合适的。该装置由一块弯曲晶体组成，能够将入射光子在其对应的布拉格角处反射至一列单X射线光子计数像素探测器上。晶体与探测器均与罗兰圆相切，如图3所示。罗兰圆的直径等于晶体的曲率半径。从圆周上某一给定点到晶体上任意位置的所有光线，相对于晶体本身的入射角均相同。

对于 HIREXSR，采用球面弯曲晶体可在子午面内实现空间分辨，如图4所示。子午聚焦点 fm 定义为：fm = Rc sin θb，其中 Rc 为晶体的曲率半径。弧矢聚焦点 fs 定义为：fs = −fm/cos 2θb。光谱仪的空间分辨率 Δx 由下式给出：figure-introduction-1，其中 Lcp 为晶体与等离子体之间的距离，d 为晶体的高度。由于晶体晶面的二维间距是离散的，因此在选择材料时必须考虑这一因素。由于探测器表面为平面，只能与罗兰圆在一点相切，这会导致误差，因为探测到的光线并未精确落在罗兰圆上对应的位置。物理上，这种失配表现为特定能量光子在探测器上的“展宽”现象。该约翰误差定义为 figure-introduction-2，其中 l 为晶体的宽度。若探测器像素宽度 δxp 远大于约翰误差，则光谱分辨率与其无关；若二者大小相近，则总误差可近似为 figure-introduction-3。晶体光谱仪的分辨本领由下式给出：figure-introduction-4，其中 figure-introduction-5。然而，在 HIREXSR 中，并非将探测器置于与罗兰圆某一点相切的位置，而是将探测器略微倾斜，以牺牲精度来换取更大的光谱范围，如图5所示。该误差分析已通过实验验证，并符合预期8。

设计约翰逊光谱仪时需考虑两个关键参数。首先，成像范围决定了光谱仪的观测区域。在等离子体研究中，理想情况是能够观测其整个横截面，以便区分由极向和环向旋转引起的谱线位移。HIREXSR 的安装方式使其能够观测整个等离子体，并略微偏离光轴倾斜放置 ∼8° （图示于 图6）以实现精确的环向测量。其次，时间分辨率决定了谱仪能够记录的事件之间的最短时间间隔。对于Alcator C-Mod而言，理想的时间分辨率应低于20毫秒，短于能量和粒子的约束时间。HIREXSR所采用的X射线计数像素探测器可支持6至20毫秒或更高的时间分辨率。9. 表1 总结了所有模块的技术规格。

用于扰动等离子体研究时，Alcator C-Mod 上的激光烧蚀系统可用于精确时序控制下的多次烧蚀10激光器为掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器，工作频率最高可达10 Hz。激光照射至远程控制的光学导引系统，如图所示。 图7 聚焦并引导光束至载玻片上的目标位置。需要控制激光的光斑尺寸，以确保注射过程不会干扰等离子体。通过远程控制的线性平台沿光轴移动长焦距（1,146 mm）会聚透镜，从而实现烧蚀光斑尺寸的调节，范围可从 ∼0.5 到 7 毫米。通过二维压电反射镜实现快速光束偏转。该压电系统安装在由 RS232 驱动的镜架上。除 Nd:YAG 激光器外，还使用 633 纳米的半导体激光器来指示主（红外）光束的位置。两束光通过第一块反射镜实现共线。

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方案

1. 选择合适的光谱线

  1. 选择合适的发射谱线，以确定所获得数据的质量。 图8 显示在不同电子温度下哪些稀有气体发射线是相关的。
    1. 请注意，电离状态和谱线强度比由电离、碰撞激发、辐射复合和介电复合之间的竞争决定。这些过程随等离子体温度和密度的变化而变化。参见 图9 以观察这种变异的一个示例。
  2. 参考其他已发表的研究，以获取相关发射谱线的波长和相对强度。在本方案中，使用 Rice, J. E. 所描述的中等原子序数类氦离子。 等 (2015)4参见 图10 以获取示例光谱。
  3. 请注意，研究主谱线系列之外的卫星线非常重要，因为这些卫星线可能与待测谱线无法分辨。某些本征杂质（Fe、Mo、Ti、 等。）在托卡马克装置中，面向等离子体的结构和部件总会产生此类物质。例如， 图11 表明氩气 Lyα1 比Ly更优的选择α2 因为后者与钼谱线重叠。
  4. 对于温度范围在 0.5–3 keV 的等离子体，采集以下氩的类氦谱线（均来自 n = 2 跃迁）：共振线（w, 1s21S0 - 1s2p 1P1），禁戒（z, 1s21S0 - 1s2p 3S1）和组合间（x，1秒21S0 - 1s2p 3P2 和 y，1s21S0 - 1s2p 3P1）。对于氩的 n = 2 跃迁，类氢光谱位于 3.72 Å 之间 < λ < 3.80 Å，类氦光谱位于3.94 Å之间 < λ < 4.00 Å。参见 图11 和 图12 用于这些光谱图的绘制。

2. 安装 HIREXSR 硬件

  1. 有关HIREXSR安装与构建的详细信息，请参考相关已发表文献1,2,5。本节将重点介绍该过程中最重要且最关键的步骤。
  2. 将HIREXSR安装在Alcator C-Mod的一个跑道形端口上，调整角度以实现8°的非对角线观测视角。
  3. 获取一块圆形(102)石英晶体，其2d间距为4.56215 Å，直径为50 mm，曲率半径为1,385 mm，用于观测类氢光谱。
  4. 获取一块矩形(102)石英晶体，其2D间距为4.56215 Å，宽度为64 mm，高度为27 mm，用于观测类氦光谱。
  5. 通过HIREXSR侧面的舱口进入光谱仪外壳，将两块晶体插入并安装至其内部。其布局参见图13。
  6. 通过同一舱口，将四个探测器用螺栓固定在光谱仪本体上指定的可移动支架上，其中一个探测器用于类氢光谱，其余三个用于类氦光谱。该配置如图14所示。
  7. 将支架置于距离晶体125 cm的位置，使得从晶体中心到探测器中心的连线与从罗兰圆中心到晶体中心的连线之间夹角为 θb/2，其中θb为所测光谱中心的布拉格角。参见图5。
    1. 注意，对于氩元素，所用类氢晶体对应的θb = 55.5°，所用类氦晶体对应的θb = 60.5°。
  8. 调整探测器角度，使其与图5所示的改进后布局相匹配。
    1. 注意，探测器的精确对准并不关键，因为在实验运行期间，采集的数据将通过已知光源进行校准。
  9. 通过安装一块厚度为0.001"、直径为4"的铍窗，将HIREXSR的氦气环境与托卡马克真空隔离开来。其布局参见图13。
  10. 在铍窗与反应堆之间安装一个10"的闸阀，以防止铍窗失效。
    1. 注意，当局部压力升高超过10 mTorr时，闸阀应自动关闭，以避免光谱仪和托卡马克装置受损。
  11. 分别参见图6和图15，了解HIREXSR与Alcator C-Mod的俯视图和侧视图，以及探测器与晶体之间的相对距离、光谱仪与托卡马克之间的相对位置。

3. 搭建激光烧蚀（LBO）系统

  1. 有关激光烧蚀装置构建的详细信息，请参考相关已发表的文献10。
  2. 为注入钙元素，取一片2 µm厚的CaF2载玻片，其表面镀有100 Å的铬层（以增强材料对激光的吸收），并将该载玻片放入激光烧蚀系统中。由于此操作需要进入C-Mod反应堆区域，应在当日运行开始前完成。
  3. 切换至Alcator C-Mod闭路电视系统的第14通道，以查看监视载玻片的黑白CCD相机画面。此时应能在载玻片上看到633 nm的半导体激光光斑。

4. 进行等离子体实验

  1. 在实验运行当天开始时，启动脚本以采集并保存每次实验运行中来自X射线计数像素探测器的数据，或 "射击"这将取决于具体的探测器设置。此处介绍的是针对HIREXSR的具体步骤。
    1. 在C-Mod控制室的工作站上，打开命令行终端。
    2. 远程连接检测器，方法是输入 "ssh -X det@dec0xx"，其中 xx 的取值范围为 07-10。
    3. 切换目录，输入 "cd p2_1mod"
    4. 运行该命令 "runtvx"这将弹出一个充满大量文本的窗口。
    5. 文本停止后，按两次回车键。启动脚本会将帧率设置为 50 Hz，阈值能量设置为约 2 keV。随后将出现大量文本信息，探测器将开始校准。
    6. 等待这一切结束后再进入 "退出" 在窗口中。
    7. 对每个检测器 07-10 重复上述步骤。
  2. 全天保持HIREXSR内部为氦气环境，且温度略高于室温，通过在整个操作过程中持续向腔体内泵入气体实现。这可减少大气对X射线的衰减以及晶体的热膨胀。
  3. 与现场工程人员协作，确保等离子体在下一次放电中达到预期的等离子体参数。若参数需在每次放电之间进行调整，应在每次放电间隔向工程人员明确传达变更内容。
    1. 此外，在运行当天的某个时间，请求一份 "锁定模式" 由工程人员拍摄，用于校准当天采集的数据。参见 Reinke 等 20121 有关锁定模式及其在校准中应用的解释。
  4. 用于扰动输运研究：每次放电前，设置激光吹蚀系统，注入所需浓度的非再循环杂质（CaF2, Sc, 等等。在所需时间点将）注入血浆中。
    1. 确定激光光斑尺寸，该参数控制从载玻片上烧蚀的材料量。根据Alcator C-Mod的运行经验，在低功率运行期间，大约有10%的烧蚀材料能够进入等离子体核心10典型的斑点大小范围为0.5至3.5 mm。
    2. 确定所需的吹扫时间，同时需考虑最大10 Hz的工作速度。
    3. 输入所需的光斑尺寸和时序至激光烧蚀系统控制图形用户界面。例如，Rice 的运输研究 等 201311 将光斑尺寸从0.5 mm调整至3.5 mm，并每隔300毫秒进行一次注射。
  5. 所有研究中：在等离子体启动0.3秒后，将气体阀门设置为向等离子体脉冲注入氩气。脉冲注入应持续约0.1秒，使氩气密度升高至约10-4 电子密度的倍数。
  6. 使用 dwscope 在运行日查看采用 MDSplus 系统（如 C-Mod）的实时诊断数据。
    1. 从托卡马克控制室的工作站上，从应用程序菜单中打开 dwscope
    2. 从其他用户处获取一个或多个包含相关诊断信息的示波文件，或使用MDSplus树命令语言创建自定义文件（高级操作）。
    3. 点击 "自定义 | 从“已保存设置”中载入……”，然后选择一个范围文件以加载。一个有用的示例范围文件 plasma_n_rot_z.dat 在 dwscope 图形用户界面中显示如下 图16.
    4. 底部栏的文本框留空，数据将从最近一次拍摄中加载。
    5. 如需要，输入镜头编号并点击 "应用" 加载特定发射的数据。
  7. 通知工程操作人员，下一次放电实验的所有准备工作已完成，可以开始点燃等离子体。
  8. 等待操作人员启动等离子体并等待其结束。在Alcator C-Mod装置中，启动过程持续约3分钟，等离子体燃烧时间少于10秒。
    1. 若使用激光吹蚀系统，需通过显微镜摄像头观察切片，目视确认切片的消融情况（参见第3节）。
  9. 等待托卡马克装置冷却，以便进行下一次放电实验。在Alcator C-Mod装置中，此过程持续10至15分钟。
    1. 利用这段时间对实验设置进行任何必要的调整，并告知操作人员，以便根据需要后续实施。
  10. 请注意，如果需要对硬件进行任何更改，研究人员应提出申请 "细胞通透性" 向操作人员申请许可，期间他们将打开托卡马克装置并解除其他安全功能，以允许人员进入Alcator C-Mod周围区域。否则，在运行日前后可自由进入。在反应堆附近工作时必须始终佩戴安全帽。
  11. 使用 dwscope 按照先前方法，在运行日结束后复查任何所需的等离子体诊断数据。
    1. 请注意，数据还可以通过针对不同编程语言的多种 MDSplus API 进行程序化访问。

5. 使用 THACO 标定 HIREXSR 锁模数据

  1. 使用HIREXSR分析代码（THACO）对HIREXSR的线积分数据进行反演12。所有这些步骤的参考信息和详细说明均可在麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）在线图书馆中未发表的《THACO手册》中找到。本节介绍THACO的首次设置与启动，随后是校准过程。
  2. 按照Alcator C-Mod维基页面上关于THACO的说明，在连接至PSFC网络的计算机上完成THACO的首次使用设置。您可能还需要向网络管理员申请对SPECTROSCOPY树的写入权限。
  3. 在命令行中输入'idl'以启动IDL命令行界面。
  4. 在IDL中输入'@thaco.bat'以启动THACO。
  5. 确定一个用于数据校准的锁定模态。
    1. 打开网页浏览器并访问PSFC日志本。
    2. 点击 "自定义查询" 按钮以打开搜索页面。
    3. 在自定义查询文本框中输入 "SHOT LIKE '1yymmdd%%%' and TEXT LIKE '%locked mode%'"，其中yymmdd为运行日期的年/月/日，以查找包含“locked mode”文本的日志条目。
    4. 根据日志条目确定锁定模态的炮号，并记录锁定模态的起止时间。
    5. 请注意，对于某些诊断（如涉及谱线比以确定电子温度13的方法），锁定模态基线并非绝对必要，但由于晶体晶格可能因热胀冷缩导致布拉格角逐日偏移14，因此强烈建议使用锁定模态进行校准。
  6. 在THACO图形用户界面中，将锁定模态的炮号输入文本字段 "(ACTIVE) SHOT"，然后按回车键。
  7. 按下按钮 "LAUNCH W_HIREXSR_CALIB" 以启动校准小部件。
    1. 在弹出的窗口中，确保标有 "SHOT" 的字段包含锁定模态的炮号，并记下 "MODULE" 字段中的编号。每次修改任一字段后请按回车键。
    2. 点击窗口上三分之一区域的 "LOAD" 按钮，并等待数据加载完成。
    3. 点击窗口中间三分之一区域的 "LOAD" 按钮，并等待更多数据加载完成。
    4. 如果数据成功加载且拟合椭圆效果良好，则在 "MODULE" 字段中使用不同的编号（1-4）重复校准步骤，因为该锁定模态炮号已被校准过。
    5. 如果所有模块（1-4）均已校准，则跳过其余校准和探测器对准步骤，直接进入第6节。
  8. 通过选择窗口右上角的适当选项开始光谱拟合。目前仅原生支持类氢和类氦的Ar和Ca光谱。
    1. 将 "t1 =" 和 "t2 =" 字段分别设置为日志本中提到的锁定模态起止时间。
    2. 移动 "FIT LOW" 和 "FIT HIGH" 滑块，直到左上角光谱图中由虚线白线标示的拟合区域仅包含目标谱线清晰可分辨的部分。
    3. 点击 "FIT/SAVE SPECTRA" 按钮，并等待拟合过程完成。
    4. 拟合完成后，使用GUI中间三分之一区域的 "SPEC" 滑块或其旁边的左右箭头，目视检查所有光谱拟合结果。
    5. 通过勾选 "SPEC" 滑块旁的 "BAD" 复选框，移除任何异常或离群的拟合结果。可参考第1.3步中列出的文献，与已知光谱进行比对。例如，类氦Ca光谱将类似于 图10。
  9. 在GUI底部三分之一区域选择目标谱线（w, x, y, z），开始椭圆拟合。
    1. 点击 "FIT ELLIPSES" 按钮，并等待椭圆拟合完成。
    2. 调整 "LOW"、"HIGH" 和 "OUTL" 滑块，使椭圆拟合结果在视觉上与光谱匹配。椭圆拟合采用非线性最小二乘法MPFIT15，该方法可能较为敏感。
    3. 完成后点击 "SAVE ELLIPSES" 按钮，并对下一个目标谱线重复此过程。
    4. 当所有谱线均完成拟合后，将 "MODULE" 更改为尚未校准的其他模块（1-4），按回车键，然后从步骤5.7.1重新开始。
    5. 当所有模块均完成校准后，点击 "QUIT" 按钮（而非关闭窗口的'x'）以关闭小部件。
  10. 点击按钮 "LAUNCH W_HIREXSR_DET_ALIGN" 以启动探测器对准小部件。
    1. 在 "SHOT" 字段中输入一个近期已知且已完成校准的锁定模态炮号，然后按回车键。记下 "MODULE" 字段的值。
    2. 点击 "LOAD" 按钮，并等待数据加载完成。
    3. 在左下角的 "DETECTOR POSITION" 面板中记录所有滑块的数值。
    4. 在 "SHOT" 字段中输入当前正在校准的锁定模态炮号，然后按回车键。
    5. 点击 "LOAD" 按钮，并等待数据加载完成。
    6. 将之前记录的数值逐一输入 "DETECTOR POSITION" 面板中，每次更改后按回车键。
    7. 通过滑块或手动修改文本框中的数值，调整 "DETECTOR POSITION" 面板中的数值，直到所有或大部分圆形残差落在绿色条带内。
    8. 将 "MODULE" 字段更改为尚未对准的模块（1-4），按回车键，然后从步骤5.10.1继续。
    9. 当所有模块均完成对准后，点击 "QUIT" 按钮（而非关闭窗口的'x'）以关闭小部件。
    10. 校准现已完成；使用该锁定模态炮号进入第6节。

6. 使用 THACO 对 HIREXSR 数据进行高级分析

  1. 使用HIREXSR分析代码（THACO）反演HIREXSR线积分数据11参考这些步骤的详细说明和分解可在线获取，详见麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）在线图书馆中未发表的《THACO 手册》。本节介绍用于查看剖面数据的实际反演过程。
  2. 确定目标射击的射击编号。
  3. 从 THACO 图形用户界面中设置该参数 "（活跃）SHOT" 输入 shot 编号，然后按回车键。图形用户界面应在底部的日志中确认该更改。
  4. 选择感兴趣的谱线，设置磁场 "LINE" 到感兴趣的谱线编号。对于氩元素，通常He-like z线为2，H-like lya1线为3。
    1. 点击 "列出 THACO 线路编号" 列出所有可用的行号。
  5. 点击 "分箱" 位于图形用户界面顶部的选项卡。
    1. 点击 "检查可用性" 检查 THACO 树（THT）的可用性。图形用户界面的底部应记录所有可用的 THACO 树。
    2. 设置参数 "新的THACO树（THT）编号" 到可用性列表中未列出的第一个数字。
    3. 点击 "CREATE" 单击按钮以创建新的 THT，以免覆盖之前的分析结果。
    4. 点击 "检查可用性" 再次刷新可用的THT列表。
    5. 改变 "THT" 字段旁边的 "（活跃）SHOT" 将字段输入到新创建的 THT 编号中，然后按回车键。GUI 日志应确认此操作。
  6. 如果当前镜头不是锁定模式，请单击 "校准" 位于图形用户界面顶部的选项卡。
    1. 更换 "来自单次射击的校准数据" 锁定模式，用于校准数据。
    2. 按压 "复制" 单击按钮以复制校准结果。
  7. 点击 "分箱" 再次按制表键。
    1. 参考 THACO 手册以获取创建自定义分箱的说明。
    2. 要从之前的分析中复制分箱设置，请在相应面板中输入 shot/THT 到对应的字段中（每次更改后按回车键） "复制" 按钮
    3. 复制分箱：选择 "分支 A" 并单击 "复制"，然后选择 "分支 B" 并点击 "复制" 再次。
  8. 点击 "个人简介" 位于图形用户界面顶部的选项卡。
    1. 请参阅 THACO 手册，了解本节中高级功能的使用方法。
    2. 否则，在顶部面板的相应字段中输入之前分析的 shot/THT（每次更改后按回车键）。
    3. 点击 "LOAD RHO" 按钮，随后是 "装载良好" 按钮
  9. 点击 "RUN THACO" 按钮，THACO 将开始反转过程。此过程可能需要几分钟。
  10. 请注意，THACO 在此过程中实际上经历了一系列独立的步骤：首先对光谱进行多高斯拟合以计算各谱线的矩量，然后利用这些矩量计算线积分轮廓数据，最后通过最小二乘法对线积分数据进行反演。这些步骤的中间输出结果对故障排查很有帮助，可在“矩量”和“轮廓”组件中找到。建议感兴趣的用户查阅 THACO 手册，以获取有关这些步骤的更多详细信息，以及如何使用这些组件对反演过程实现更精细的控制。
  11. 倒置过程完成后，从 "人物简介" 标签点击 "LAUNCH_W_HIREXSR_PROFILES" 目视检查轮廓。
    1. 按压 "加载" 按钮在 "树木输入/输出" 底部面板并等待数据加载。
    2. 如果自动流程失败，请查找 "进行倒置操作" 并点击 "急性淋巴细胞白血病" 快速重新完成所有倒位操作。
    3. 手动检查右侧的倒置轮廓 "时间" 底部的滑块用于切换帧。
    4. 如果出现任何看似错误的倒置曲线例如， 负温度，向边缘方向的非物理梯度 等等。），使用其旁边的 -/+ 按钮 "CH#" 选择左侧的异常通道，然后取消勾选 "良好" 可选择在倒置步骤中将其去除。
      1. 请注意，边缘处的辐射强度 tends to 较弱，因此不确定性较高；然而，反演得到的温度在边缘处仍应趋近于一个较小的值（不一定为零）。
    5. 查找 "进行倒置操作" 并点击 "当前" 反转当前帧的轮廓。重复剔除异常值，直至反转后的轮廓看起来正确为止。
    6. 按压 "保存" 在数据看起来令人满意后。
    7. 使用轮廓小部件检查数据。
  12. 如需要，可点击 "启动 W_HIREXSR_COMPARE" 在 "比较" 通过不同谱线构建的轮廓进行对比分析。当等离子体芯部温度升高至足以使氩的类氢发射超过类氦发射时，此方法尤为有用。
  13. 请注意，还可以通过适用于不同编程语言的各种 MDSplus API 以编程方式访问数据。相关路径请参见 THACO 手册。

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结果

一个代表性的像素探测器数据样本，对应于类氦氩光谱的一个时间 bin，如图所示 图17谱线因球面晶体的作用而弯曲成椭圆形，清晰可见。顶部探测器存在破损的探测面板，且所有探测器上均散布有一些坏像素点。破损探测面板的数据应予以忽略。图中展示了来自探测器的切片，显示了沿单条弦测量的光谱以及由THACO完成的光谱拟合结果。 图18 和 图19. 所得的线积分轮廓数据如图所示 图20.

通过THACO对类氦氩谱线的分析，可得到倒置的等离子体温度和环向速度分布，其示例如图21所示。HIREXSR测得的离子温度与其他测量通道的独立诊断结果一致1。使用氩（一种再循环杂质）作为示踪元素，可实现对整个等离子体演化过程中离子分布的连续测量。这对于研究长时间尺度下等离子体演化的输运特性至关...

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讨论

该技术生成的数据可用于多种实验研究。离子温度和环向速度分布可用于广泛的输运研究，包括内禀自生等离子体旋转和非局域扰动效应。通过激光烧蚀注入杂质并测量其光谱，还可以提供有关等离子体中杂质输运的重要信息，如Howard et al. 201110中所进行的工作。目前，尚无其他等离子体诊断方法能够从等离子体核心区域提供时间与空间分辨的离子分布数据1，这使得X射线成像光谱学成为研究等离子体行为的一种新颖方法。

该方案中最关键的步骤是识别感兴趣波长区域内的谱线。所观测的谱线必须足够强，以获得良好的计数统计结果，并且彼此之间以及其他伴生谱线之间应能充分分辨。这些谱线的相对强度可能随温度变化而发生显著改变，而诸如介电复合等量子过程也可能产生可测量的影响。

如果谱线较弱，可以通过引入更多待测杂质来增强其强度。若需要观测不同波长范围，只需将探测器沿罗兰圆移动即可，但需确保布拉格角仍大于45°以避免光线发散，同时小于80°以防止入射光子与反射光子之间产生干扰。探测器的帧率也可调快或调慢...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨向 Matt Reinke 及 Alcator C-Mod 团队致以感谢，感谢他们设计、建造并测试了 HIREXSR。本工作由美国能源部合同编号 DE-FC02-99ER54512 和 DE-AC02-76CH03073 资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
PILATUS 100k 探测器系统DECTRIS100k已被更新的 PILATUS3 探测器取代
布拉格晶体库尔恰托夫研究所定制部件
CaF2 载玻片LeBow定制部件
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参考文献

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