Name: 하이 온도 플라즈마 진단으로 사용하기 위해 X 선 영상 크리스탈 분광학 적용 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-08-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 46 s
Description: 학습하세요 고온 플라즈마 진단을 위한 X선 영상 크리스탈 분광학 기법을 통해 토카막 플라즈마 내 수소형 및 헬륨형 이온의 공간 프로파일을 측정하는 방법을 배우세요. 이 기술은 융합 연구에서 플라즈마 물리의 핵심 질문에 답하는 데 필수적인 데이터를 제공합니다.

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저자는 HIREXSR을 설계, 구축 및 테스트해 준 Matt Reinke와 Alcator C-Mod 팀에게 감사의 뜻을 전합니다. 이 작업은 DOE 계약 번호 DE-FC02-99ER54512 및 DE-AC02-76CH03073의 지원을 받았습니다.

<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>

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이 기술에 의해 생성 된 데이터는 실험 연구에 광범위하게 사용될 수있다. 이온 온도 도넛 속도 프로파일은 진성 자체 생성 플라즈마 회전 및 비 로컬 섭동 효과를 포함하여 전송 연구의 넓은 범위에서 사용할 수있다. 하워드 등. 2011 10에서 수행되었을 때 레이저 분출을 통해 주입 된 불순물의 스펙트럼을 측정하면, 플라즈마의 불순물의 전송에 대한 중요한 정보를 제공 할 수 있습니다. 이때, X 선 촬영 플라즈마 분광 동작을 프로빙하는 새로운 방법 만드는 플라즈마 코어 (1)로부터 다른 플라즈마 시간을 제공 할 수있는 진단 및 공간 분해 된 이온 프로파일 데이터. 프로토콜에서 가장 중요한 단계는 관심있는 파장 영역의 스펙트럼 라인의 식별이다. 관찰되는 라인 좋은 계산 통계를 제공하는 것이 강하게하고, 서로 인접 모두에서 해결하는 것이 중요연구 위성 라인. 이 선들의 상대 강도는 다른 온도로 급격히 변화 할 수 있으며, 유전...

X 선 스펙트럼은 고온 플라즈마에 대한 풍부한 정보를 제공한다; 예를 들면 전자 온도 및 밀도 선 강도 비로부터 추론 될 수있다. 축외 플라즈마를 보는 요한 분광기를 사용함으로써, 이러한 우수한 공간 및 시간 해상도를 가진 1,2- 플라즈마 내부의 밀도, 온도 및 속도와 같은 플라즈마 파라미터 정보를 구성 할 수있다. 이 원고는 공간 해상도와 고해상도 X 선 크리스탈 영상 분광계 (HIREXSR), 공간적으로 토카막 중간 원자 번호 원소의 수소와 헬륨 등의 이온을 확인하는 데 사용되는 X 선 분광계 이미징 높은 파장 해상도의 동작을 제공합니다 혈장. HIREXSR는 Alcator C-모, 각각 0.67 m와 0.22 m의 크고 작은 반경 토카막 핵융합 장치에 배포됩니다. 그것은 일반적으로 중수소 플라즈마 20 10 × 0.2-8.0 사이 m 평균 밀도 ~ 2 초 지속으로 동작 -3 </su1-9 keV의 3 사이의 P&gt; 중앙 전자 온도. 이러한 조건 하에서, 높은 Z 불순물 원소 중간 고도로 이온화 상태가되어 대책 HIREXSR X 선 영역에서 방출. 잘 진단 실험실 플라즈마로부터 얻어지는 X 선 스펙트럼의 원자 번호 모델링 벤치마킹 다른 독립적 진단 (4)을 이용할 수없는 경우에, 플라즈마 파라미터를 결정하기 위해 이러한 스펙트럼의 사용을 정당화하는 것이 중요하다. 모든 분석기는 원하는 사용하기 위해 만들어졌습니다. 따라서, 시스템 및 관련 개념에 대한 일반적인 설명이 충분히 강력한 도구 (5)를 이해하는 것이 필요하다. 광자 결정의 인접 층에서 반사 및 파장의 배수 인 거리를 이동할 때, 브래그 반사가 발생한다. (1)는 이러한 현상을 보여주고있다. 이 조건은 n은 다시의 순서입니다 방정식 nλ = 2 일의 죄 θ의 (B)에 의해 표현된다변곡점은, λ는 광자의 파장이고, d는 액정과 θ (B)의 인접한 층 사이의 간격은 브래그 (Bragg) 각도이다. λ와 θ B 사이의 일대일 대응에 대한 하나를 나타냅니다 같은 파장 검출기 비행기 여행의 특정 시점에서 모든 광자가. 그러나 실제로, 브래그 각도 편차 매니페스트 흡수 정밀도 한계. 이것은 로킹 커브 (6)에 의해 나타내어 현저한 보강 간섭을 생성 각도의 작은 범위를 초래한다. (2)은 방해석 결정하기위한 예시도 곡선이다. HIREXSR는 구형 구부러진 결정 (7)와 요한 분석기입니다. 디바이스의이 종류를 설명하기 전에, 단순한 원형 분석 장치의 설명이 적합하다. 이 셋업은 해당 브래그가 각도에서 들어오는 광자를 반영하는 구부러진 크리스탈로 구성단일 X 선 광자 계산 픽셀 감지기 배열을 구. 도 3에 표시된 바와 같이 결정하고, 검출기는, 롤 런드 원의 접선에 누워. 롤 런드 원의 직경이 결정의 곡률 반경과 동일하다. 결정상의 임의의 지점의 둘레에 소정의 지점에서 모든 광선 결정 자체에 대해 동일한 입사각을 갖는다. .도 4에 도시 HIREXSR, 자오면에서 구형 만곡 결정 허용 공간 해상도의 경우에, 자오선 초점 F의 m은 다음과 같이 정의된다 : R (C)가 곡률 반경은 F m = R C의 죄 θ B를 결정. - f를 m / COS 2 θ의 B F의의 = 시상 초점 f를들로 정의된다. 분광계 Δ x의 공간 해상도가 주어집니다으로: <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/54408/54408eq_DELTA_x.jpg" /> L 개의 CP가 결정 플라즈마 간의 거리이고, D는 결정의 높이이다. 결정 층의 2 차원 공간이 분리되기 때문에 재료를 선택할 때,이 고려되어야한다. 검출기 표면이 평탄하기 때문에, 그들은 단지 검출 된 광선은 롤 런드 원의 해당 지점에 정확하게 착륙하지 않기 때문에, 결과적으로 오차를 초래 한 점에서 롤 런드 원에 접하는 수있다. 물리적으로,이 어긋남이 상기 검출기에 대한 특정 에너지의 광자 &quot;번짐&quot;로 나타난다. 이 요한 오류는 다음과 같이 정의된다 <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/54408/54408eq_delta_xj.jpg" /> L은 결정의 폭이다. 검출기 픽셀 폭 ΔX P가 요한 오차보다 큰 경우, 상기 스펙트럼 해상도는 독립적이다. 그들은 경우유사한 크기의 재 후 총 에러로 근사화 될 수있다 <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/54408/54408eq_delta_x_2.jpg" /> . 결정 분광기의 분해능이 주어진다 : <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/54408/54408eq_lambda0.jpg" /> 여기서 <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/54408/54408eq_delta_theta.jpg" /> . 도 5에 도시 된 바와 같이, 대신 HIREXSR 그러나 롤 런드 원에 지점 검출기 접선 배치의 검출기는, 스펙트럼 범위의 정확도를 희생 약간 경사져.이 에러 분석은 실험적으로 확인되었으므로 기대 (8)에 따른다. 요한 분석기를 설계 할 때 고려해야 할 두 가지 중요한 매개 변수가 있습니다. 우선, 촬상 범위는 분광계 관찰 될지를 결정한다. 플라즈마 연구를 들면, 폴로 이달 및 toroi 의한 광고 변화를 구별하기 위해 그것의 전체 단면을 확인하는 것이 매우 바람직하다DAL 회전. HIREXSR는 전체 플라즈마를 볼 수 있도록 장착되고, 도넛 정확한 측정을 허용하도록 (도 6에 도시) ~8 °로 떨어져 축이 약간 경사. 둘째, 시간 해상도는 분광계가 기록 할 수있는 이벤트 사이의 최소 시간을 조절한다. Alcator C-모 들어, 바람직한 값은 에너지와 입자 제한 시간보다 짧은 20 이하 밀리가 있습니다. HIREXSR 용도가 20 밀리 초 이상으로 6 시간 해상도를 지원할 수있는 X 선 계산 픽셀 감지기 (9). 표 1은 모듈 사양 모두를 요약 한 것이다. 섭동 플라즈마 연구의 경우, Alcator C-모에 레이저 블로우 - 오프 시스템은 정확한 타이밍 (10) 여러 절제를 제공하는 데 사용됩니다. 레이저는 노스 다코타입니다 : 최대 10 Hz에서 운영 YAG (네오디뮴 도핑 된 이트륨 알루미늄 석류석). 초점도 7을 조향에 도시 된 바와 같이 레이저가 원격 제어 광 트레인에 입사이고상기 슬라이드상의 원하는 위치로 빔. 레이저 스폿 크기는 주입 플라즈마를 방해하지 않도록 제어 할 필요가있다. 긴 초점 길이 (1,146mm) 집광 렌즈 절제된 스폿 사이즈 ~ 0.5 내지 7 mm로 변화 할 수 있도록 원격 제어 선형 단계를 통해 광축을 따라 변환된다. 빠른 빔 스티어링은 2D 압전 거울을 통해 달성된다. 이 압전 시스템가 RS232 구동 미러에 장착되어있는 마운트합니다. 가진 Nd 외에 : YAG 레이저, 633 nm의 다이오드 레이저 주 (적외선) 빔의 위치를​​ 표시하기 위해 사용된다. 빔은 제 1 미러를 통해 동일 선상되도록 만들어진다.

<table><tbody><tr><td>PILATUS 100k 검출기 시스템</td><td>DECTRIS</td><td>100k</td><td>는 새로운 PILATUS3 검출기로 대체</td></tr>됨 <tr><td>Bragg Crystals</td><td>Kurchaov Institute</td><td>Custom Part</td><td></td></tr><tr><td>CaF2 Slides</td><td>LeBow</td><td>Custom Part</td><td></td></tr><tr><td>High Purity</td><td>Argon Airgas</td><td>AR HP300</td><td>모든 고순도 아르곤이 작동</td></tr><tr><td></td><td>해야 합니다.브러시 Wellman Electrofusion 제품 / 모션 하이텍</td><td>커스텀 파트</td><td></td></tr></tbody></table>

하이 온도 플라즈마 진단으로 사용하기 위해 x 선 영상 크리스탈 분광학 적용

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

X 선 스펙트럼은 고온 플라즈마에 대한 풍부한 정보를 제공한다; 예를 들면 전자 온도 및 밀도 선 강도 비로부터 추론 될 수있다. 플라즈마를 보는 요한 분광기를 사용함으로써, 이러한 양호한 시간 및 공간 해상도의 밀도, 온도 및 속도와 같은 플라즈마 파라미터 정보를 구성 할 수있다. 그러나, 잘 진단 실험실 플라즈마로부터 얻어지는 X 선 스펙트럼의 원자 번호 모델링 벤치마킹 다른 독립적 인 진단을 이용할 수없는 경우에, 플라즈마 파라미터를 결정하기 위해 이러한 스펙트럼의 사용을 정당화하는 것이 중요하다. 이 원고는 공간 해상도와 고해상도 X 선 크리스탈 영상 분광계 (HIREXSR), 공간적으로 토카막 중간 원자 번호 원소의 수소와 헬륨 등의 이온을 확인하는 데 사용되는 X 선 분광계 이미징 높은 파장 해상도의 동작을 제공합니다 혈장. 또한,이 원고는 이온을 도입 할 수있는 레이저 분출 시스템을 포함정확한 타이밍으로 플라즈마에 플라즈마 수송의 섭동 연구를 허용합니다.

헬륨 같은 아르곤의 스펙트럼을 한 번 빈의 픽셀 검출기에서 대표적인 데이터 샘플이 그림 17에 표시됩니다. 구형 결정에 의해 타원형 모양으로 구부러진 스펙트럼 라인을 명확하게 볼 수 있습니다. 상부 탐지기는 고장 검출기 패널을 갖고, 검출기 모두 흩어져 죽은 픽셀이있다. 깨진 검출기 패널의 데이터는 무시해야합니다. 측정 된 스펙트럼은 단일 코드 위에 THACO 수행 스펙트럼 피팅 결과를 나타내는 검출기로부터의 조각은도 18 및도 19에 나타낸다. 얻어진 라인 통합 프로파일 데이터는도 20에 도시된다. 헬륨, 아르곤과 같은 라인에서 THACO 의해 만들어 반전 플라즈마 온도 및 도넛 속도 프로파일의 일례는도 21에서</stron...

X 선 스펙트럼은 고온 플라즈마에 풍부한 정보를 제공합니다. 이 원고는 공간적으로 토카막 플라즈마 중간 원자 번호 원소의 수소와 헬륨 등의 이온을 확인하는 데 사용되는 X 선 분광계 이미징 높은 파장 해상도의 동작을 제공합니다.

하이 온도 플라즈마 진단으로 사용하기 위해 X 선 영상 크리스탈 분광학 적용

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

이 X선 분광법 기술의 전반적인 목표는 핵융합 플라즈마 내의 이온 온도, 회전 속도, 전자 온도 및 불순물 밀도와 같은 여러 플라즈마 파라미터의 공간적 프로파일에 대한 시간적 진화를 측정하는 것입니다. 이 방법은 운동량, 열 및 입자 수송에 대한 실험적 데이터를 제공함으로써 플라즈마 물리학 분야의 핵심 질문들에 답하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이렇게 얻은 정보는 이후 수송 모델링 코드에 사용되어 기초 과정에 대한 우리의 이해를 검증하는 데 활용됩니다. 이 기술의 주요 장점은 수동적(passive)이라는 점입니다. 이 절차의 시연은 대학원생 Norman Cao와 학부생 Andr가 진행하겠습니다.

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