Name: 高温プラズマ診断として使用するためのX線イメージングクリスタル分光法を適用します (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-08-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 46 s
Description: 学ぶX線分光法による高温プラズマ診断技術。トカマクプラズマ中の水素様・ヘリウム様イオンの空間分布を高波長分解能で観測し、イオン温度や回転速度、不純物密度などのパラメータ計測に応用します。

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著者は、HIREXSRの設計、構築、テストを行ったMatt Reinke氏とAlcator C-Modチームに感謝します。この作業は、DOE 契約番号 DE-FC02-99ER54512 および DE-AC02-76CH03073 の支援を受けました。

<ol><li>Reinke, M. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((X-ray+imaging+crystal+spectroscopy+for+use+in+plasma+transport+research%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">X-ray imaging crystal spectroscopy for use in plasma transport research.</a> Rev. Sci. Instrum. 83 (11), 113504(2012).</li>
<li>Hill, K. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+High+Resolution+X-Ray+Imaging+Crystal+Spectrometer+for+Measurement+of+Ion-Temperature+and+Rotation-Velocity+Profiles+in+Fusion+Energy+Research+Plasmas%5BTitle%5D)+AND+%22Plasma+Fusion+Res%22%5BJournal%5D)">Development of a High Resolution X-Ray Imaging Crystal Spectrometer for Measurement of Ion-Temperature and Rotation-Velocity Profiles in Fusion Energy Research Plasmas.</a> Plasma Fusion Res. 2, August 2015 1067-1067 (2007).</li>
<li>Greenwald, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((20+years+of+research+on+the+Alcator+C-Mod+tokamak%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Plasmas%22%5BJournal%5D)">20 years of research on the Alcator C-Mod tokamak.</a> Phys. Plasmas. 21 (11), 110501(2014).</li>
<li>Rice, J. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((X-ray+observations+of+medium+Z+H-+and+He-like+ions+with+satellites+from+C-Mod+tokamak+plasmas%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+B%22%5BJournal%5D)">X-ray observations of medium Z H- and He-like ions with satellites from C-Mod tokamak plasmas.</a> J. Phys. B. 48 (14), 144013(2015).</li>
<li>Ince-Cushman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotation+studies+in+fusion+plasmas+via+imaging+X-ray+crystal+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Rotation studies in fusion plasmas via imaging X-ray crystal spectroscopy.</a> Rev. Sci. Instrum. 79, (2008).</li>
<li>Zachariasen, W. H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aZachariasen%2C+WH+%22Theory+of+X-Ray+Diffraction+in+Crystals%22">Theory of X-Ray Diffraction in Crystals</a>. , Courier Corporation. (2004).</li>
<li>Johann, H. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Die+Erzeugung+lichtstarker+R%C3%B6ntgenspektren+mit+Hilfe+von+Konkavkristallen%5BTitle%5D)+AND+%22Zeitschrift+f%C3%BCr+Physik%22%5BJournal%5D)">Die Erzeugung lichtstarker Röntgenspektren mit Hilfe von Konkavkristallen.</a> Zeitschrift für Physik. 69 (3-4), 185-206 (1931).</li>
<li>Wang, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Calculation+of+the+Johann+error+for+spherically+bent+x-ray+imaging+crystal+spectrometers%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Calculation of the Johann error for spherically bent x-ray imaging crystal spectrometers.</a> Rev. Sci. Instrum. 81 (10), (2010).</li>
<li>Eikenberry, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PILATUS%3A+a+two-dimensional+X-ray+detector+for+macromolecular+crystallography%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl.+Instr.+Meth.+Phys.+Res.+A%22%5BJournal%5D)">PILATUS: a two-dimensional X-ray detector for macromolecular crystallography.</a> Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 501 (1), 260-266 (2003).</li>
<li>Howard, N. T., Greenwald, M., Rice, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+impurity+confinement+on+Alcator+C-Mod+using+a+multi-pulse+laser+blow-off+system%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Characterization of impurity confinement on Alcator C-Mod using a multi-pulse laser blow-off system.</a> Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 1-6 (2011).</li>
<li>Rice, J. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-local+heat+transport%2C+rotation+reversals+and+up%2Fdown+impurity+density+asymmetries+in+Alcator+C-Mod+ohmic+L-mode+plasmas%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl.+Fusion%22%5BJournal%5D)">Non-local heat transport, rotation reversals and up/down impurity density asymmetries in Alcator C-Mod ohmic L-mode plasmas.</a> Nucl. Fusion. 53, 033004(2013).</li>
<li>Reinke, M. L., Podpaly, Y., Gao, C., Science, P. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aReinke%2C+ML+%22Operation+and+Validation+of+The+HIREXSR+Analysis+COde+MIT-Plasma+Science+and+Fusion+Center+Alcator+C-Mod%22">Operation and Validation of The HIREXSR Analysis COde MIT-Plasma Science and Fusion Center Alcator C-Mod</a>. , (2013).</li>
<li>Rosen, A. S., Reinke, M. L., Rice, J. E., Hubbard, A. E., Hughes, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Validation+of+x-ray+line+ratios+for+electron+temperature+determination+in+tokamak+plasmas%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+B%22%5BJournal%5D)">Validation of x-ray line ratios for electron temperature determination in tokamak plasmas.</a> J. Phys. B. 47 (10), 105701(2014).</li>
<li>Delgado-Aparicio, L. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-situ+wavelength+calibration+and+temperature+control+for+the+C-Mod+high-resolution+X-ray+crystal+imaging+spectrometer%5BTitle%5D)+AND+%22Bull.+Am.+Phys.+Soc%22%5BJournal%5D)">In-situ wavelength calibration and temperature control for the C-Mod high-resolution X-ray crystal imaging spectrometer.</a> Bull. Am. Phys. Soc. 55, (2010).</li>
<li>Markwardt, C. B. Non-linear Least Squares Fitting in IDL with MPFIT. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://arxiv.org/abs/0902.2850">http://arxiv.org/abs/0902.2850</a> (2009).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

この技術によって生成されたデータは、実験的研究の広範囲で使用することができます。イオン温度とトロイダル速度プロファイルは、本質的な自己生成プラズマ回転と非局所摂動効果を含む輸送研究の広い範囲で使用することができます。ハワードら。2011年10で行われていたように、レーザブローオフを通して注入した不純物のスペクトルを測定することも、血漿中の不純物の輸送に関する重要な情報を提供することができます。この時、X線画像分光プラズマの挙動をプロービングするための新規な方法作るプラズマコア1からのない他のプラズマ時間を提供することができ、診断および空間分解イオンプロファイルデータ、。 プロトコルの中で最も重要なステップは、対象の波長領域におけるスペクトル線の同定です。観察されているラインが良い計数統計情報を提供することが強く、互いにパーソナルプラグインの両方から解決することが重要です衛星回線をrは。これらの線の強弱が異なる温度で劇的に変化し、誘電体の組換えなどの量子プロセスは、測定可能な効果を有し得ます。 <p class="...

X線スペクトルは、高温プラズマに関する豊富な情報を提供すること。例えば、電子温度と密度は、線強度比から推測することができます。軸外プラズマ表示ヨハン分光計を使用することにより、このような良好な空間及び時間分解能1,2プラズマ内部の密度、温度、及び速度などのプラズマパラメータのプロファイルを構築することが可能です。この原稿は、空間分解能（HIREXSR）、トカマク中の培地原子番号の元素の水素 - 及びヘリウム様イオンを表示するために使用される高波長分解能、空間的にイメージングX線分光器で高分解能X線結晶撮像分光装置の動作を提示しますプラズマ。 HIREXSRはAlcator C-Modの、それぞれ0.67メートルと0.22メートルのメジャーとマイナーの半径のトカマク核融合装置に配備されています。それは、典型的には、重水素プラズマが0.2から8.0×10 20メートルの間の平均密度で〜2秒の持続で動作-3 </su1-9 keVの3の間のp&gt;と中央の電子温度。これらの条件下では、高Z不純物元素の媒体は非常にイオン化し、対策をHIREXSR X線領域で放射します。よく診断された実験室プラズマから得られたX線スペクトルの原子コード・モデリングをベンチマークすると、他の独立した診断が4使用できない場合にプラズマパラメータを決定するために、このようなスペクトルの使用を正当化することが重要です。 すべての分光計は、その所望の使用のために構築されています。したがって、マシンとその関連する概念についての一般的な説明は完全にこれらの強力なツール5を把握することが必要です。光子が結晶の隣接する層を反射し、その波長の倍数である距離を走行する際、ブラッグ反射が発生します。1は、この現象を示している図 。この条件は、nは 、再オーダーである式のnλ= 2 Dの罪θbと表されます屈曲は、λは、光子の波長であり、dは結晶とθBの隣接する層の間の分離はブラッグ角です。 λとθbとの 1対1の対応は、同じ波長で検出器平面の旅行の特定の時点での全フォトンことを示しています。しかし、実際には、ブラッグ角からの偏差として現れる吸収と精度の限界。これは、ロッキングカーブ6で示される重要な建設的干渉を生成する角度だけ小さな範囲になる。 図2は、方解石結晶の例曲線です。 HIREXSRは球状に曲がっ結晶7とヨハン分光計です。この種の装置を説明する前に、簡単な、円形分光計の議論は適切です。これは、セットアップに角、それぞれのブラッグで入ってくる光子を反映して曲がった結晶で構成されてい病棟単一X線光子計数ピクセル検出器のアレイを。 図3に表示されているように結晶と検出器は、ローランド円の接線を置く。ローランド円の直径が結晶の曲率半径に等しいです。結晶の任意の点までの円周上の任意の点からの全ての光線は、結晶自体に関して同じ入射角を持っています。 HIREXSRの場合には、球状に曲がった結晶は、図4に示した子午面における空間分解能を可能にする子午線フォーカスF mは次のように定義されます。R cはの曲率半径メートル = R Cの罪θのB、F結晶。 - メートル / COS 2θbの F S = F：矢状焦点F Sは以下のように定義されます。分光計Δxの空間分解能が与えられます。によって： <img alt="方程式" src="/files/ftp_upload/54408/54408eq_DELTA_x.jpg" />ここで、L CPは結晶とプラズマとの間の距離であり、Dは、結晶の高さです。結晶層の2次元の間隔が離散的であるため、材料を選択する際に、これが考慮に入れなければなりません。検出器面は平面であるので、それらは、検出された光がローランド円上の対応する点上に正確に着弾されないので、結果的にエラーを生じさせる一点、でローランド円に接することができます。物理的には、この位置ずれは、検出器上の特定のエネルギーの光子の「にじみ」として現れます。このヨハン・エラーは以下のように定義されます<img alt="方程式" src="/files/ftp_upload/54408/54408eq_delta_xj.jpg" />ここで、lは 、結晶の幅です。検出器画素幅ΔXpはヨハン誤差よりもはるかに大きい場合、スペクトル分解能は、それとは無関係です。彼らの場合匹敵するサイズの再し、総誤差は、以下によって近似することができます。 <img alt="方程式" src="/files/ftp_upload/54408/54408eq_delta_x_2.jpg" /> 。結晶分光器の分解能は、次式で与えられます。 <img alt="方程式" src="/files/ftp_upload/54408/54408eq_lambda0.jpg" />ここで、 <img alt="方程式" src="/files/ftp_upload/54408/54408eq_delta_theta.jpg" /> 。 図5に示すように、代わりにHIREXSRに、しかし、ローランド円上の点に検出器の接線を置くの検出器は、スペクトル範囲のために精度を犠牲にするためにわずかに傾斜している。このエラーの分析は、実験的に確認されていると期待8に準拠しています。 ヨハン分光計を設計する際に考慮すべき2の重要なパラメータがあります。まず、撮像範囲は、分光計が観測されるかを決定します。プラズマを研究するために、ポロイダルとtoroiによって引き起こされるラインシフトを区別するために、その全体の断面を表示することが非常に望ましいですダル回転。 HIREXSRは、それが全体のプラズマを閲覧することができるように取り付けられており、正確なトロイダル測定を可能にするために（ 図6に示す）~8°の軸外に少し傾いています。第二に、時間分解能は、分光計が記録することができ、イベント間の最小時間を調節します。 Alcator C-Modのために、望ましい値は、エネルギーと粒子閉じ込め時​​間より短い20秒、以下です。 HIREXSR用途が20ミリ秒以上の6の時間分解能をサポートすることができ、X線計測ピクセル検出器は、9。 表1は、モジュールの仕様のすべてをまとめました。 摂動プラズマ研究のために、Alcator C-MODにレーザブローオフシステムは、正確なタイミング10と、複数のアブレーションを送達するために使用されます。レーザのNdである：YAG（ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット）は、最大10Hzで動作します。レーザーは図7に示すように焦点を合わせ、リモート制御光学トレインに入射し、去勢牛スライド上の所望の位置にビーム。レーザーのスポットサイズは​​、注入は、プラズマを破壊しないように制御する必要があります。長焦点距離（1146ミリメートル）集光レンズは、アブレーションされたスポットサイズは​​、約0.5から7ミリメートルまで変化することを可能にするリモート制御リニアステージを介して光軸に沿って平行移動されます。高速ビームステアリングは、2D圧電ミラーを介して達成されます。この圧電システムは、ミラーができるマウント駆動RS232に装着されています。 Ndに加えて：YAGレーザー、633nmのダイオードレーザは、主（赤外線）ビームの位置を示すために使用されます。ビームは、第1のミラーを介して同一直線上にするように作られています。

<table><tbody><tr><td>PILATUS 100k 検出器システム</td><td>DECTRIS</td><td>100k</td><td>新しいPILATUS3検出器に取って代わられた</td></tr><tr><td>ブラッグ クリスタル</td><td>クルチャオフ研究所</td><td>カスタムパーツ</td><td></td></tr><tr><td>CaF2 スライド</td><td>LeBow</td><td>カスタムパーツ</td><td></td></tr><tr><td>高純度アルゴン</td><td>エアガス</td><td>AR HP300</td><td>高純度アルゴンは動作する必要があります</td></tr><tr><td>ウィンドウ</td><td>ブラシ Wellman Electrofusion Products / Motion Hightech</td><td>Custom part</td><td></td></tr></tbody></table>

高温プラズマ診断として使用するためのx線イメージングクリスタル分光法を適用します

Applying X-ray Imaging Crystal Spectroscopy for Use as a High Temperature Plasma Diagnostic

X線スペクトルは、高温プラズマに関する豊富な情報を提供すること。例えば、電子温度と密度は、線強度比から推測することができます。プラズマ表示ヨハン分光計を用いることにより、良好な空間及び時間分解能での密度、温度、及び速度などのプラズマパラメータのプロファイルを構築することが可能です。しかし、よく診断実験室プラズマから得られたX線スペクトルの原子コード・モデリングをベンチマークすると、他の独立した診断が利用できないときにプラズマパラメータを決定するために、このようなスペクトルの使用を正当化することが重要です。この原稿は、空間分解能（HIREXSR）、トカマク中の培地原子番号の元素の水素 - 及びヘリウム様イオンを表示するために使用される高波長分解能、空間的にイメージングX線分光器で高分解能X線結晶撮像分光装置の動作を提示しますプラズマ。また、この原稿は、そのようなイオンを導入することができ、レーザブローオフシステムをカバー正確なタイミングでプラズマにプラズマ中の輸送の摂動の研究を可能にします。

彼のようなアルゴンスペクトルのための1つの時間ビンのピクセル検出器からの代表的なデータサンプルは、図17に示されている。球状結晶によって楕円形状に曲げられたスペクトル線を、はっきりと見えます。トップ検出器が壊れた検出器パネルを持っており、検出器のすべてに散らばっていくつかのデッドピクセルがあります。壊れた検出器パネルからのデータは無視されるべきです。測定されたスペクトルと単一弦の上にTHACOによって行わスペクトルフィッティングの結果を示す検出器からのスライスは、図18と図19に示されている。その結果、ライン統合プロファイルデータは、図20に示されています。 彼のようなアルゴンラインからTHACOによって作成された反転プラズマ温度とトロイダル速度プロファイルの例を図21に見ることができ...

X線スペクトルは、高温プラズマに関する豊富な情報を提供しています。本稿では、空間的にトカマクプラズマ中の培地原子番号の元素の水素 - 及びヘリウム様イオンを表示するために使用されるX線分光器を画像化、高波長分解能の動作を示します。

高温プラズマ診断として使用するためのX線イメージングクリスタル分光法を適用します

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas; for example electron temperature and density can be inferred from line ...

このX線分光法の全体的な目的は、核融合プラズマにおけるイオン温度、回転速度、電子温度、不純物密度などのいくつかのプラズマパラメータの空間プロファイルの時間発展を測定することです。この手法は、運動量、熱、および粒子の輸送に関する実験データを提供することで、プラズマ物理学分野における重要な問いに答えるのに役立ちます。得られた情報は、基礎となるプロセスの理解を検証するために輸送モデリングコードで使用されます。この手法の主な利点は、パッシブであることです。この手順のデモンストレーションを行うのは、大学院生のNorman Caoと学部生のAndr

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・鉱物及び岩石試料の蛍光を放射光 x 線回折

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