Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Zastosowanie spektroskopii krystalicznej do obrazowania rentgenowskiego jako diagnostyki plazmy wysokotemperaturowej

11.2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54408

⸱

25 sierpnia 2016

 ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

Widma rentgenowskie dostarczają wielu informacji na temat plazmy o wysokiej temperaturze. Niniejszy manuskrypt przedstawia działanie spektrometru rentgenowskiego o wysokiej rozdzielczości falowej, obrazującego przestrzennie, służącego do oglądania jonów wodoropodobnych i helopodobnych pierwiastków o średniej liczbie atomowej w plazmie tokamakowej.

Streszczenie

Widma rentgenowskie dostarczają wielu informacji o plazmach o wysokiej temperaturze; na przykład temperaturę i gęstość elektronów można wywnioskować ze stosunków intensywności linii. Korzystając ze spektrometru Johanna obserwującego plazmę, możliwe jest skonstruowanie profili parametrów plazmy, takich jak gęstość, temperatura i prędkość z dobrą rozdzielczością przestrzenną i czasową. Jednak porównawcze modelowanie kodu atomowego widm rentgenowskich uzyskanych z dobrze zdiagnozowanej plazmy laboratoryjnej jest ważne dla uzasadnienia wykorzystania takich widm do określenia parametrów plazmy, gdy inne niezależne diagnostyki nie są dostępne. Niniejszy manuskrypt przedstawia działanie spektrometru High Resolution X-ray Crystal Imaging Spectrometer with Spatial Resolution (HIREXSR), spektrometru rentgenowskiego do obrazowania przestrzennego o wysokiej rozdzielczości długości fali, używanego do oglądania jonów wodorowych i helopodobnych pierwiastków o średniej liczbie atomowej w plazmie tokamaka. Ponadto, manuskrypt ten omawia system laserowego wydmuchiwania, który może wprowadzać takie jony do plazmy z precyzyjnym czasem, aby umożliwić perturbacyjne badania transportu w plazmie.

Wprowadzenie

Widma rentgenowskie dostarczają bogatej informacji o plazmach wysokotemperaturowych; na przykład temperaturę i gęstość elektronów można wywnioskować z stosunków intensywności linii. Dzięki zastosowaniu spektrometru Johannowego obserwującego plazmę poza osią, możliwe jest konstruowanie profili parametrów plazmy, takich jak gęstość, temperatura i prędkość wewnątrz plazmy, z dobrą rozdzielczością przestrzenną i czasową1,2. Niniejsza publikacja przedstawia działanie spektrometru krystalicznego wysokiej rozdzielczości do obrazowania rentgenowskiego z rozdzielczością przestrzenną (HIREXSR), który jest spektrometrem rentgenowskim z obrazowaniem przestrzennym i wysoką rozdzielczością długości fali, wykorzystywanym do obserwacji jonów wodoropodobnych i helopodobnych pierwiastków o średnim liczbie atomowej w plazmie tokamakowej.

HIREXSR jest zainstalowany w Alcator C-Mod, urządzeniu fuzyjnym typu tokamak o promieniu głównym i pomocniczym wynoszących odpowiednio 0,67 m i 0,22 m. Zazwyczaj pracuje on z plazmami deuterowymi o czasie trwania ~2 s, średniej gęstości od 0,2-8,0 x 1020 m-3 i centralnej temperaturze elektronów od 1-9 keV3. W tych warunkach pierwiastki zanieczyszczające o średniej i wysokiej liczbie atomowej Z ulegają silnej jonizacji i emitują promieniowanie w zakresie promieni rentgenowskich, które jest mierzone przez HIREXSR. Weryfikacja modelowania kodami atomowymi widm rentgenowskich uzyskanych z dobrze zdiagnozowanych plazm laboratoryjnych jest istotna, aby uzasadnić wykorzystanie takich widm do wyznaczania parametrów plazmy w sytuacjach, gdy inne niezależne metody diagnostyczne nie są dostępne4.

Każdy spektrometr jest konstruowany z myślą o konkretnym zastosowaniu. W związku z tym, aby w pełni zrozumieć działanie tych potężnych narzędzi, niezbędny jest ogólny opis urządzenia oraz związanych z nim pojęć5. Odbycie odbicia Bragga ma miejsce, gdy foton odbija się od sąsiadujących warstw kryształu i przebywa drogę stanowiącą wielokrotność jego długości fali. Rysunek 1 przedstawia to zjawisko. Warunek ten jest wyrażony równaniem nλ = 2d sin θb, gdzie n to rząd odbicia, λ to długość fali fotonu, d to odstęp między sąsiednimi warstwami kryształu, a θb to kąt Bragga. Jednostajna odpowiedniość między λ a θb wskazuje, że wszystkie fotony w konkretnym punkcie płaszczyzny detektora poruszają się z tą samą długością fali. W praktyce jednak absorpcja i ograniczenia precyzji objawiają się jako odchylenie od kąta Bragga. Skutkuje to tym, że tylko niewielki zakres kątów generuje znaczącą interferencję konstruktywną, co reprezentuje krzywa kołysania (rocking curve)6. Rysunek 2 przedstawia przykładową krzywą dla kryształu kalcytu.

HIREXSR jest spektrometrem Johanna z sferycznie wygiętym kryształem7. Przed opisaniem tego rodzaju urządzenia właściwe jest omówienie prostszego spektrometru kołowego. Układ ten składa się z wygiętego kryształu, który odbija nadchodzące fotony pod ich odpowiednimi kątami Bragga w kierunku macierzy pikselowych detektorów zliczających pojedyncze fotony rentgenowskie. Kryształ i detektor znajdują się stycznie do koła Rowlanda, co przedstawiono na Rysunku 3. Średnica koła Rowlanda jest równa promieniowi krzywizny kryształu. Wszystkie promienie biegnące z danego punktu na obwodzie do dowolnego punktu na krysztale mają ten sam kąt padania względem samego kryształu.

W przypadku HIREXSR sferycznie zakrzywiony kryształ umożliwia uzyskanie rozdzielczości przestrzennej w płaszczyźnie południkowej, co zilustrowano na Rysunku 4. Ognisko południkowe fm definiuje się jako: fm = Rc sin θb, gdzie Rc jest promieniem krzywizny kryształu. Ognisko strzałkowe fs definiuje się jako: fs = −fm/cos 2θb. Rozdzielczość przestrzenna spektrometru Δx jest określona wzorem: Wzór na równowagę statyczną, równanie Δx dla obliczeń systemu mechanicznego., gdzie Lcp jest odległością między kryształem a plazmą, a d to wysokość kryształu. Ponieważ dwuwymiarowe rozmieszczenie warstw kryształu jest dyskretne, należy wziąć to pod uwagę przy wyborze materiału. Ze względu na to, że powierzchnie detektora są płaskie, mogą one być styczne do koła Rowlanda tylko w jednym punkcie, co w konsekwencji prowadzi do błędu, ponieważ wykrywane promienie nie trafiają dokładnie w odpowiadające im punkty na kole Rowlanda. Fizycznie niedopasowanie to objawia się jako „rozmycie” fotonów o określonej energii na detektorze. Błąd Johann’a ten jest definiowany jako Równanie równowagi statycznej δxj=l²cosθb/8Rc ilustrujące koncepcje równowagi mechanicznej., gdzie l jest szerokością kryształu. Jeśli szerokość piksela detektora δxp jest znacznie większa niż błąd Johann’a, rozdzielczość spektralna jest od niego niezależna. Jeśli są one porównywalne, całkowity błąd można przybliżyć wzorem Wzór na propagację błędu δx ≈ √(δx_j² + δx_p²), równanie w schemacie analizy statystycznej.. Siła rozdzielcza spektrometru kryształowego jest określona wzorem: Wzór na rozdzielczość spektroskopową, równanie λ₀/Δλ=tanθb/δθ dla analizy optycznej., gdzie Równanie przemieszczenia kątowego \( \delta \theta = \frac{\delta x}{f_m} \); ilustracja wzoru.. Jednak zamiast umieszczać detektor stycznie do punktu na kole Rowlanda, w HIREXSR detektor jest ustawiony pod lekkim kątem, aby poświęcić dokładność na rzecz zakresu spektralnego, jak pokazano na Rysunku 5. Analiza tych błędów została zweryfikowana eksperymentalnie i jest zgodna z oczekiwaniami8.

Podczas projektowania spektrometru Johanna należy wziąć pod uwagę dwa kluczowe parametry. Po pierwsze, zakres obrazowania określa, co będzie obserwował spektrometr. W przypadku badania plazmy wysoce pożądane jest obrazowanie całego jej przekroju, aby móc odróżnić przesunięcia linii spowodowane rotacją poloidalną i toroidalną. HIREXSR jest zamontowany w taki sposób, aby mógł obejmować całą plazmę, i jest lekko odchylony od osi o ∼8° (zilustrowane na Rysunku 6), co pozwala na dokładne pomiary toroidalne. Po drugie, rozdzielczość czasowa reguluje minimalny czas między zdarzeniami, który spektrometr może zarejestrować. Dla Alcator C-Mod pożądanymi wartościami są te poniżej 20 msec, czyli krótsze niż czasy zamknięcia energii i cząstek. Detektory pikselowe do zliczania promieniowania rentgenowskiego stosowane w HIREXSR mogą zapewniać rozdzielczość czasową od 6 do 20 msec lub większą9. Tabela 1 podsumowuje wszystkie specyfikacje modułu.

Do badań nad plazmą perturbacyjną wykorzystuje się system laserowej ablacji (laser blow-off) w urządzeniu Alcator C-Mod, który umożliwia przeprowadzenie wielu ablacji z precyzyjnym czasem wyzwalania10. Zastosowano laser Nd:YAG (granat aluminium i itru domieszkowany neodymem) pracujący z częstotliwością do 10 Hz. Wiązka lasera pada na zdalnie sterowany układ optyczny, przedstawiony na Rysunku 7, który skupia i kieruje wiązkę w wyznaczone miejsce na płytce. Rozmiar plamki lasera musi być kontrolowany, aby wtrysk nie zakłócił plazmy. Soczewka zbieżna o długiej ogniskowej (1,146 mm) jest przesuwana wzdłuż osi optycznej za pomocą zdalnie sterowanego modułu liniowego, co pozwala na regulację rozmiaru plamki ablacyjnej w zakresie od ∼0,5 do 7 mm. Szybkie kierowanie wiązką realizowane jest za pomocą dwuwymiarowego lustra piezoelektrycznego. System piezoelektryczny jest zamontowany na uchwycie lustra sterowanym przez interfejs RS232. Oprócz lasera Nd:YAG stosuje się laser diodowy o długości fali 633 nm w celu wyznaczenia położenia głównej wiązki (podczerwonej). Wiązki są ustawiane współosiowo za pomocą pierwszego lustra.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Wybór odpowiednich linii spektralnych

  1. Dobierz odpowiednie linie emisyjne, które będą decydować o jakości uzyskiwanych danych. Rysunek 8 pokazuje, które linie emisji gazów szlachetnych będą istotne przy różnych wartościach dla temperatury elektronów.
    1. Należy zauważyć, że stan jonizacji i stosunki liniowe są określane przez konkurencję jonizacji, wzbudzenie kolizyjne, rekombinację radiacyjną i rekombinację dielektryczną. Procesy te mogą się różnić w zależności od temperatury i gęstości plazmy. Na rysunku 9 przedstawiono przykład tej odmiany.
  2. Zapoznaj się z innymi opublikowanymi pracami, aby uzyskać informacje na temat długości fal i względnych natężeń linii emisyjnych będących przedmiotem zainteresowania. W tym protokole należy użyć jonów podobnych do pośrednich Z He, zgodnie z charakterem Rice, JE i in. (2015)4. Na rysunku 10 przedstawiono przykładowe widmo.
  3. Należy pamiętać, że ważne jest, aby badać satelity z linii spoza głównej serii, ponieważ mogą one być nierozdzielone z liniami, które są mierzone. Niektóre wewnętrzne zanieczyszczenia (Fe, Mo, Ti itp.) zawsze będą obecne w strukturze i składnikach tokamaka skierowanych do plazmy. Na przykład rysunek 11 sugeruje, że argon Lyα1 jest lepszym wyborem niż linia Lyα2, ponieważ ta ostatnia pokrywa się z linią molibdenową.
  4. Dla plazmy w zakresach temperatur około 0,5-3 keV, wychwyć następujące linie podobne do He-podobnych dla argonu (wszystkie z n = 2 przejścia): rezonans (w, 1s21S0 - 1s2p 1P1), zakazany (z, 1s21 S0 - 1s2p 3S1) i kombinacja (x, 1s21S0 - 1s2p 3P2 i y, 1s21S0 - 1s2p 3P1). Dla przejść argonu n = 2 widmo podobne do H leży między 3,72 A < λ < 3,80 A, a widmo podobne do He leży między 3,94 A < λ < 4,00 A. Patrz Rysunek 11 i Rysunek 12 dla wykresów tych widm.

2. Montaż sprzętu HIREXSR

  1. Zapoznaj się z odpowiednimi opublikowanymi pracami, aby uzyskać szczegółowe informacje i szczegóły dotyczące montażu i budowy HIREXSR1,2,5. W tej części skupimy się na najważniejszych i krytycznych krokach tej procedury.
  2. Zamontuj HIREXSR na jednym z portów Alcator C-Mod w kształcie toru wyścigowego, ustawiony pod kątem, aby umożliwić widok pod kątem 8° po przekątnej.
  3. Uzyskaj okrągły (102) kryształ kwarcu o odstępach 4,56215 A 2d, średnicy 50 mm i promieniu krzywizny 1,385 mm, aby wyświetlić widmo podobne do H.
  4. Uzyskaj prostokątny (102)-kwarc o odstępach 4,56215 A 2D, szerokości 64 mm i wysokości 27 mm, aby wyświetlić widmo podobne do He.
  5. Włóż i zamontuj oba kryształy w obudowie HIREXSR, uzyskując dostęp do obudowy spektrometru przez właz znajdujący się z boku. Zobacz rysunek 13, aby zapoznać się z ich układem.
  6. Przez ten sam właz przykręć cztery detektory do wyznaczonych ruchomych mocowań w korpusie spektrometru, rezerwując jeden detektor dla widma podobnego do H, a pozostałe trzy dla widma podobnego do He. Układ ten zilustrowano na rysunku 14.
  7. Umieść mocowania w odległości 125 cm od kryształów tak, aby linia od środka kryształów do linii detektorów tworzyła kąt θb/2 z linią od środka okręgu Rowlanda do środka kryształu, gdzie θb jest kątem Bragga środka mierzonego widma. Zobacz rysunek 5.
    1. Należy zauważyć, że w przypadku argonu użyty kryształ podobny do H daje θb = 55,5°, a użyty kryształ podobny do He daje wynik θb = 60,5°.
  8. Ustawić detektory pod odpowiednim kątem, aby pasowały do zmodyfikowanego układu pokazanego na rysunku 5.
    1. Należy pamiętać, że dokładne ustawienie detektorów nie jest ważne, ponieważ zebrane dane zostaną skalibrowane względem znanego źródła podczas przebiegu eksperymentalnego.
  9. Oddziel atmosferę helu HIREXSR od próżni tokamaka, instalując okienko berylowe o grubości 0,001 cala i średnicy 4 cali. Zobacz rysunek 13, aby zapoznać się z jego układem.
  10. Zamontuj 10-calową zasuwę między oknem a reaktorem, aby zabezpieczyć się przed awarią okna berylowego.
    1. Należy pamiętać, że zasuwa powinna się zamknąć, gdy lokalne ciśnienie wzrośnie powyżej 10 mTorr, aby uniknąć uszkodzenia zarówno spektrometru, jak i tokamaka.
  11. Na Rysunku 6 i Rysunku 15 przedstawiono odpowiednio widok z góry i z boku na HIREXSR i Alcator C-Mod, wraz ze względnymi odległościami detektorów i kryształów oraz między spektrometrem a tokamakiem.

3. Konfiguracja systemu laserowego przedmuchiwania (LBO)

  1. Zapoznaj się z odpowiednimi opublikowanymi pracami, aby uzyskać szczegółowe informacje i szczegóły dotyczące budowy laserowego aparatu do przedmuchiwania10.
  2. Aby wstrzyknąć wapń, weź szkiełko CaF2 2 o grubości 2 μm ze 100 A chromu (aby wspomóc absorpcję lasera w materiale) i umieść szkiełko w laserowym systemie przedmuchiwania. Ponieważ wymaga to dostępu do reaktora C-Mod, należy to zrobić przed rozpoczęciem operacji w danym dniu.
  3. Przełącz się na kanał 14 w systemie telewizji kablowej Alcator C-Mod, aby view czarno-biała kamera CCD, która ogląda slajd. Plamka lasera diodowego o długości fali 633 nm powinna być widoczna na szkiełku.

4. Przeprowadzanie eksperymentu z plazmą

  1. Na początku dnia pracy uruchom skrypt, który będzie zbierał i zapisywał dane z detektorów pikseli zliczających promieniowanie rentgenowskie dla każdego przebiegu eksperymentalnego lub "strzału". Będzie to zależało od konkretnej konfiguracji detektora. Kroki specyficzne dla HIREXSR są przedstawione tutaj.
    1. Ze stacji roboczej w sterowni C-Mod wywołaj terminal wiersza poleceń.
    2. Połącz się zdalnie z czujnikiem, wpisując "ssh -X det@dec0xx", gdzie xx mieści się w zakresie 07-10.
    3. Zmień katalogi, wpisując "cd p2_1mod"
    4. Uruchom polecenie "runtvx". Spowoduje to wyświetlenie okna, które zaleje się lawiną tekstu.
    5. Gdy tekst się zatrzyma, naciśnij dwukrotnie Enter. Skrypt startowy ustawi liczbę klatek na sekundę na 50 Hz, a energię progową na ~2 keV. Nastąpi kolejna lawina tekstu i detektory zaczną się kalibrować.
    6. Poczekaj, aż to wszystko się skończy i wpisz "exit" w oknie.
    7. Powtórz dla każdego detektora 07-10.
  2. Przez cały dzień utrzymuj atmosferę helu w HIREXSR nieco powyżej temperatury otoczenia, stale pompując gaz do obudowy przez cały czas trwania operacji. Zmniejsza to tłumienie promieniowania rentgenowskiego w atmosferze i rozszerzalność cieplną kryształu.
  3. Współpracuj z personelem inżynieryjnym na miejscu, aby upewnić się, że plazma osiągnie pożądane parametry plazmy podczas nadchodzącego ujęcia. Jeśli parametry mają się zmieniać z ujęcia na ujęcie, poinformuj o tym personel inżynieryjny między każdym ujęciem.
    1. Dodatkowo, w pewnym momencie w ciągu dnia pracy, poproś personel inżynieryjny o ujęcie w "trybie zablokowanym" w celu kalibracji danych wykonanych tego dnia. Zobacz Reinke et al. 20121, aby uzyskać wyjaśnienie trybów zablokowanych i sposobu ich wykorzystania do kalibracji.
  4. W przypadku badań transportu perturbacyjnego: Przed każdym strzałem zaprogramuj laserowy system przedmuchiwania tak, aby wstrzykiwał żądane stężenie zanieczyszczeń nienadających się do recyklingu (CaF2, Sc itp.) do plazmy w żądanym czasie.
    1. Zdecyduj się na rozmiar plamki lasera, która kontroluje ilość materiału usuwanego ze szkiełka. Z doświadczenia operacyjnego w Alcator C-Mod wynika, że około 10% ablowanego materiału trafia do rdzenia plazmy podczas pracy przy niskim poborze mocy10. Typowe rozmiary plamek wahają się od 0,5 do 3,5 mm.
    2. Określ żądane czasy przedmuchu, mając na uwadze maksymalną prędkość pracy 10 Hz.
    3. Wprowadź żądany rozmiar plamki i czasy do graficznego interfejsu użytkownika sterującego systemem przedmuchiwania lasera. Na przykład badanie transportu przeprowadzone przez Rice i wsp. 201311 zmieniał rozmiary plamek od 0,5 do 3,5 mm i miał zastrzyki co 300 ms.
  5. Dla wszystkich badań: Ustaw zawór gazowy tak, aby wdmuchiwał argon do plazmy 0,3 sekundy po rozpoczęciu plazmy. Zaciągnięcie powinno trwać około 0,1 sekundy i zwiększyć gęstość argonu do około 10-4 razy większej od gęstości elektronów.
  6. Użyj dwscope, aby wyświetlić dane diagnostyczne na żywo w dniu uruchomienia dla systemów korzystających z MDSplus, takich jak C-Mod.
    1. Ze stacji roboczej w sterowni tokamaka otwórz dwscope z menu aplikacji
    2. Uzyskaj jeden lub więcej plików zakresu z odpowiednią diagnostyką pokazaną od innego użytkownika lub utwórz niestandardowe pliki przy użyciu języka poleceń MDSplus Tree (zaawansowane).
    3. Kliknij "Dostosuj | Użyj zapisanych ustawień z..." i wybierz plik zakresu, aby go załadować. Przydatny przykładowy zakres, plasma_n_rot_z.dat, jest pokazany z graficznym interfejsem użytkownika dwscope na rysunku 16.
    4. Pozostaw pole tekstowe na dolnym pasku puste, a dane zostaną załadowane z ostatniego ujęcia.
    5. W razie potrzeby wprowadź numer ujęcia i kliknij "Zastosuj", aby załadować dane z określonego ujęcia.
  7. Poinformuj operatorów inżynieryjnych, że wszystkie przygotowania do nadchodzącego strzału zostały zakończone i że mogą przystąpić do zapłonu plazmy.
  8. Poczekaj, aż operatorzy zainicjują plazmę i aż się zakończy. W Alcator C-Mod proces inicjacji będzie trwał około 3 minut, a plazma będzie się palić przez mniej niż 10 sekund.
    1. W przypadku korzystania z laserowego systemu przedmuchiwania należy wizualnie potwierdzić ablację szkiełka za pomocą kamery view szkiełka (patrz rozdział 3).
  9. Poczekaj, aż tokamak ostygnie, aby przejść do następnego strzału. W Alcator C-Mod proces ten będzie trwał 10-15 minut.
    1. Wykorzystaj ten czas, aby wprowadzić wszelkie zmiany w konfiguracji eksperymentalnej i przekazać je operatorom, aby można je było zastosować później, jeśli jest to pożądane.
  10. Należy pamiętać, że jeśli pożądane są jakiekolwiek zmiany w sprzęcie, badacze powinni poprosić operatorów o "dostęp do komórki", podczas którego otworzą tokamak i wyłączą inne funkcje bezpieczeństwa, aby umożliwić ludziom wejście do otoczenia Alcator C-Mod. W przeciwnym razie nieograniczony dostęp jest dostępny przed i po dniu uruchomienia. Podczas pracy w pobliżu reaktora należy zawsze nosić kaski ochronne.
  11. Użyj dwscope jak poprzednio, aby przejrzeć żądaną diagnostykę osocza po zakończeniu dnia pracy.
    1. Należy pamiętać, że dostęp do danych można również uzyskać programowo za pośrednictwem różnych interfejsów API MDSplus dla różnych języków.

5. Kalibracja danych trybu zablokowanego HIREXSR za pomocą THACO

  1. Użyj kodu analizy HIREXSR (THACO), aby odwrócić dane HIREXSR, które są zintegrowane z linią12. Odniesienie i szczegółowy podział wszystkich tych kroków można znaleźć w Internecie w niepublikowanym podręczniku THACO Manual on the MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC). W tej sekcji omówiono pierwszą konfigurację i uruchomienie THACO, a następnie proces kalibracji.
  2. Postępuj zgodnie z instrukcjami na stronie wiki Alcator C-Mod dla THACO, aby skonfigurować THACO do pierwszego użycia na komputerze podłączonym do sieci PSFC. Może być również konieczne zażądanie od administratora sieci dostępu do zapisu w drzewie SPECTROSCOPY.
  3. Wpisz "idl" w wierszu poleceń z, aby uruchomić interfejs wiersza poleceń IDL.
  4. W IDL wpisz "@thaco.bat", aby uruchomić THACO.
  5. Zidentyfikuj tryb zablokowany, który ma być używany do kalibracji danych.
    1. Otwórz przeglądarkę internetową i przejdź do dziennika PSFC.
    2. Kliknij przycisk "zapytanie niestandardowe", aby wyświetlić stronę wyszukiwania.
    3. W polu tekstowym zapytania niestandardowego wprowadź "SHOT LIKE '1yymmdd%%%' i TEXT LIKE '%locked mode%'", gdzie yymmdd to rok/miesiąc/dzień uruchomienia, aby wyświetlić wpisy dziennika zawierające tryb zablokowanego tekstu.
    4. Określ numer strzału w trybie zablokowanym na podstawie wpisów w dzienniku i zanotuj czasy rozpoczęcia/zakończenia trybu zablokowanego.
    5. Należy pamiętać, że posiadanie linii bazowej w trybie zablokowanym nie jest absolutnie konieczne dla wszystkich diagnostyki, takich jak te obejmujące współczynniki linii, takie jak określanie temperatury elektronów13, ale jest wysoce zalecane, ponieważ kąt Bragga może się zmieniać z dnia na dzień z powodu rozszerzania się/kurczenia sieci krystalicznej14.
  6. W graficznym interfejsie użytkownika THACO wprowadź numer strzału w trybie zablokowanym w polu tekstowym "(AKTYWNY) STRZAŁ" i naciśnij enter.
  7. Naciśnij przycisk "LAUNCH W_HIREXSR_CALIB" i uruchom widżet kalibracji.
    1. W oknie, które się pojawi, upewnij się, że pole oznaczone "SHOT" zawiera numer strzału w trybie zablokowanym i zanotuj numer w "MODULE". Naciśnij Enter po wprowadzeniu jakichkolwiek zmian w dowolnym polu.
    2. Kliknij przycisk "ZAŁADUJ" w górnej jednej trzeciej okna i poczekaj na załadowanie danych.
    3. Kliknij "ZAŁADUJ" w środkowej trzeciej części okna i poczekaj, aż zostanie załadowanych więcej danych.
    4. Jeśli dane zostały pomyślnie załadowane, a wielokropek dopasowania wygląda dobrze, powtórz krok kalibracji z innym numerem w polu "MODUŁ" (1-4), ponieważ ujęcie w trybie zablokowanym zostało już skalibrowane.
    5. Jeśli wszystkie moduły (1-4) zostały już skalibrowane, pomiń pozostałe etapy kalibracji i wyrównywania detektora, ponieważ strzał został już skalibrowany, i przejdź bezpośrednio do sekcji 6.
  8. Rozpocznij dopasowanie spektralne, wybierając odpowiednią opcję w prawym górnym rogu okna. Obecnie obsługiwane są tylko widma Ar i Ca podobne do H i He-like.
    1. Ustaw pola "t1 =" i "t2 =" odpowiednio na czasy rozpoczęcia/zakończenia trybu zablokowanego, które są wymienione w dzienniku.
    2. Przesuwaj suwaki "DOPASUJ NISKO" i "DOPASUJ WYSOKO", aż obszar dopasowania, oznaczony przerywanymi białymi liniami nałożonymi na widmo w lewym górnym rogu, będzie zawierał tylko obszar, w którym interesujące linie widmowe są widocznie rozwiązane.
    3. Kliknij przycisk "FIT/SAVE SPECTRA" i poczekaj na zakończenie procesu dopasowania.
    4. Po zakończeniu procesu dopasowania użyj suwaka "SPEC" lub strzałek w lewo/w prawo obok niego w środkowej jednej trzeciej GUI, aby wizualnie sprawdzić wszystkie dopasowania spektralne.
    5. Usuń wszelkie złe lub odstające pasowania, zaznaczając pole wyboru "ZŁE" obok suwaka "SPEC". Odwołaj się do prac znalezionych w kroku 1.3 w celu porównania ze znanymi widmami. Na przykład, widma Ca podobne do He będą podobne do tych z rysunku 10.
  9. Rozpocznij dopasowywanie elipsy, wybierając żądaną linię (w, x, y, z) z dolnej jednej trzeciej graficznego interfejsu użytkownika.
    1. Kliknij przycisk "DOPASUJ ELLIPSY" i poczekaj, aż elipsy zostaną dopasowane do pasowań spektralnych.
    2. Przesuwaj suwaki "LOW", "HIGH" i "OUTL", aż dopasowanie elipsy będzie wizualnie pasować do widm. Elipsy są dopasowywane za pomocą nieliniowej metody najmniejszych kwadratów MPFIT15, która może być wybredna.
    3. Po zakończeniu kliknij przycisk "ZAPISZ ELIPSA" i powtórz proces z następną żądaną linią.
    4. Po dopasowaniu wszystkich linii zmień "MODUŁ" na inny moduł (1-4), który nie został jeszcze skalibrowany, naciśnij enter i przejdź ponownie od kroku 5.7.1.
    5. Gdy wszystkie moduły zostaną skalibrowane, kliknij przycisk "QUIT" (nie "x"), aby zamknąć widżet.
  10. Naciśnij przycisk "LAUNCH W_HIREXSR_DET_ALIGN", aby uruchomić widżet wyrównania detektora.
    1. W polu "SHOT" wprowadź numer strzału ostatniego znanego trybu blokady, który został już skalibrowany, i naciśnij enter. Zwróć uwagę na pole "MODUŁ".
    2. Kliknij przycisk "ZAŁADUJ" i poczekaj na załadowanie danych.
    3. W lewym dolnym rogu zapisz wszystkie wartości suwaka w panelu "POZYCJA DETEKTORA".
    4. W polu "SHOT" wprowadź numer strzału kalibrowanego trybu zablokowanego i naciśnij enter.
    5. Kliknij przycisk "ZAŁADUJ" i poczekaj na załadowanie danych.
    6. Zapisane wcześniej wartości należy wprowadzić do panelu "POZYCJA DETEKTORA", naciskając enter po każdej zmianie.
    7. Zmieniaj wartości w panelu "POZYCJA DETEKTORA" za pomocą suwaków lub ręcznie zmieniając wartości w polach tekstowych, aż wszystkie lub większość okrągłych reszt znajdzie się na zielonym pasku.
    8. Zmień pole "MODUŁ" na moduł (1-4), który nie został jeszcze wyrównany i naciśnij enter. Następnie przejdź do kroku 5.10.1.
    9. Gdy wszystkie moduły zostaną wyrównane, kliknij przycisk "ZAKOŃCZ" (nie "x"), aby zamknąć widżet.
    10. Kalibracja została zakończona; przejdź do sekcji 6 ze strzałem w trybie zablokowanym.

6. Zaawansowana analiza danych HIREXSR za pomocą THACO

  1. Użyj kodu analizy HIREXSR (THACO), aby odwrócić dane HIREXSR, które są zintegrowane z linią11. Odniesienie i szczegółowy podział wszystkich tych kroków można znaleźć w Internecie w niepublikowanym podręczniku THACO Manual on the MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC). W tej sekcji omówiono rzeczywisty proces odwracania w celu wyświetlenia danych profilu.
  2. Określ numer strzału dla ujęcia, które Cię interesuje.
  3. W graficznym interfejsie użytkownika THACO ustaw pole "(AKTYWNY) STRZAŁ" na numer strzału i naciśnij enter. Graficzny interfejs użytkownika powinien potwierdzić zmianę w dzienniku na dole.
  4. Wybierz interesującą Cię linię spektralną, ustaw pole "LINE" na interesujący Cię numer linii. W przypadku argonu będzie to zwykle 2 dla linii z podobnej do He, i 3 dla linii lya1 podobnej do H.
    1. Kliknij "LISTA NUMERÓW LINII THACO", aby wyświetlić listę wszystkich dostępnych numerów linii.
  5. Kliknij zakładkę "BINNING" w górnej części GUI.
    1. Kliknij "SPRAWDŹ DOSTĘPNOŚĆ THT", aby sprawdzić dostępność THACO Tree (THT). Dolna część graficznego interfejsu użytkownika powinna rejestrować wszystkie dostępne drzewa THACO.
    2. Ustaw pole "nowy numer drzewa THACO (THT)" na pierwszą liczbę, która nie jest wymieniona w dostępności.
    3. Kliknij przycisk "UTWÓRZ", aby utworzyć nowy THT, dzięki czemu poprzednia analiza nie zostanie nadpisana.
    4. Kliknij ponownie "SPRAWDŹ DOSTĘPNOŚĆ THT", aby odświeżyć listę dostępnych THT.
    5. Zmień pole "THT" obok pola "(ACTIVE) SHOT" na nowo utworzony numer THT i naciśnij enter. Dziennik GUI powinien potwierdzić tę akcję.
  6. Jeśli bieżące ujęcie nie jest w trybie zablokowanym, kliknij zakładkę "CALIB" w górnej części graficznego interfejsu użytkownika.
    1. Zmień "Dane kalibracyjne od strzału" na tryb zablokowany, który ma być używany do kalibracji danych.
    2. Naciśnij przycisk "COPY", aby skopiować kalibrację.
  7. Kliknij ponownie kartę "BINOWANIE".
    1. Zapoznaj się z instrukcją THACO, aby uzyskać instrukcje dotyczące tworzenia niestandardowych pojemników.
    2. Aby skopiować kategoryzację z poprzedniej analizy, należy wprowadzić śrut/THT w odpowiednie pola (wciskając enter po każdej zmianie) w panelu z przyciskiem "KOPIUJ".
    3. Kopiowanie nad binowaniem: Wybierz "GAŁĄŹ A" i kliknij "KOPIUJ", a następnie wybierz "GAŁĄŹ B" i ponownie kliknij "KOPIUJ".
  8. Kliknij zakładkę "PROFILE" w górnej części GUI.
    1. Zapoznaj się z instrukcją THACO, aby uzyskać instrukcje dotyczące korzystania z zaawansowanych funkcji dostępnych w tej sekcji.
    2. W przeciwnym razie wprowadź strzał/THT z poprzedniej analizy w odpowiednie pola (naciskając enter po każdej zmianie) w górnym panelu.
    3. Kliknij przycisk "ZAŁADUJ RHO", a następnie przycisk "ZAŁADUJ DOBRZE".
  9. Kliknij przycisk "URUCHOM THACO", a THACO rozpocznie proces odwrócenia. Może to potrwać kilka minut.
  10. Zauważ, że THACO w rzeczywistości przechodzi przez szereg niezależnych kroków podczas tego procesu: przeprowadzanie dopasowania wielogaussowskiego na widmach w celu obliczenia momentów różnych linii, wykorzystanie tych momentów do obliczenia danych profilu zintegrowanego z linią, a następnie odwrócenie danych zintegrowanych z linią za pomocą metody najmniejszych kwadratów. Pośrednie dane wyjściowe z tych kroków, przydatne do rozwiązywania problemów, można znaleźć w widżetach momentów i profili. Zainteresowanych użytkowników zachęcamy do zapoznania się z instrukcją THACO, aby uzyskać więcej informacji na temat tych kroków i sposobu korzystania z tych widżetów w celu dokładniejszej kontroli procesu inwersji.
  11. Po zakończeniu procesu odwracania w zakładce "PROFILE" kliknij "LAUNCH_W_HIREXSR_PROFILES", aby wizualnie sprawdzić profile.
    1. Naciśnij przycisk "LOAD" w panelu "Tree I/O" na dole i poczekaj na załadowanie danych.
    2. Jeśli zautomatyzowany proces nie powiedzie się, znajdź "WYKONAJ INWERSJE DLA" i kliknij "WSZYSTKO", aby szybko powtórzyć wszystkie inwersje.
    3. Ręcznie sprawdź odwrócone profile po prawej stronie, używając suwaka "TIME" na dole, aby zmienić ramki.
    4. Jeśli istnieją jakiekolwiek odwrócone profile, które wydają się być nieprawidłowe (np. ujemne temperatury, niefizyczne gradienty w kierunku krawędzi itp.), użyj przycisków -/+ obok "CH#", aby wybrać kanały odstające po lewej stronie i odznacz opcję "DOBRY", aby usunąć je z kroku odwrócenia.
      1. Należy zauważyć, że emisje są zwykle słabsze w kierunku krawędzi, więc niepewność jest wyższa; jednak odwrócona temperatura powinna nadal spaść do niewielkiej (niekoniecznie) wartości zerowej na krawędzi.
    5. Znajdź "WYKONAJ ODWRÓCENIA DLA" i kliknij "CURRENT", aby odwrócić profil dla bieżącej klatki. Powtarzaj usuwanie wartości odstających, aż odwrócony profil będzie wyglądał poprawnie.
    6. Naciśnij "ZAPISZ", gdy dane wydają się zadowalające.
    7. Użyj widżetu profili, aby sprawdzić dane.
  12. W razie potrzeby kliknij "URUCHOM W_HIREXSR_COMPARE" w zakładce "PORÓWNAJ", aby porównać profile zbudowane z różnych linii widmowych. Typowym scenariuszem, w którym jest to użyteczne, jest sytuacja, w której temperatura jądra plazmy staje się wystarczająco wysoka, aby emisja podobna do argonu H mogła wyprzedzić emisję podobną do He.
  13. Należy pamiętać, że dostęp do danych można również uzyskać programowo za pośrednictwem różnych interfejsów API MDSplus dla różnych języków. Zapoznaj się z instrukcją THACO, aby uzyskać informacje na temat odpowiednich ścieżek.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Reprezentatywna próbka danych z detektora pikselowego dla jednego przedziału czasowego dla widma argonu podobnego do helu jest przedstawiona na Rysunku 17. Linie widmowe, wygięte w kształt eliptyczny przez kryształ sferyczny, są wyraźnie widoczne. Górny detektor posiada uszkodzony panel detekcyjny, a w obrębie wszystkich detektorów rozproszone są niektóre martwe piksele. Dane z uszkodzonego panelu detektora należy zignorować. Przekroje z detektora pokazujące zmierzone wid...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Dane wygenerowane za pomocą tej techniki mogą być wykorzystane w wielu różnych badaniach eksperymentalnych. Profile temperatury i prędkości jonów toroidalnych mogą być wykorzystywane w szerokim zakresie badań transportu, w tym w samoistnej rotacji plazmy generowanej przez siebie i nielokalnych efektach perturbacyjnych. Pomiar widm wstrzykiwanych zanieczyszczeń za pomocą przedmuchu laserowego może również dostarczyć ważnych informacji na temat transportu zanieczyszczeń w osoczu, jak to miało miejsce w przypadku Howarda

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować Mattowi Reinke i zespołowi Alcator C-Mod za zaprojektowanie, zbudowanie i przetestowanie HIREXSR. Prace te były wspierane przez kontrakty DOE o numerach DE-FC02-99ER54512 i DE-AC02-76CH03073.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
System detektorów PILATUS 100kDECTRIS100kZastąpiony przez nowsze detektory PILATUS3
Kryształy BraggaKurchaov InstituteCzęść niestandardowa
CaF2 SlajdyLeBowCzęść niestandardowa
Argon o wysokiej czystościAirgas AR HP300Każdy argon o wysokiej czystości powinien działać
Bądź oknemSzczotka Wellman Produkty elektrooporowe / Motion HightechCzęść
niestandardowa

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Spektrometr Johannaplazma Tokamaka HIREXSRsystem ablacji laserowej (Laser Blow-off)pomiar temperatury jonówanaliza temperatury elektronówprofilowanie gęstości zanieczyszczeńkody modelowania transportutransport ciepła i pędu
Zastosowanie spektroskopii krystalicznej do obrazowania rentgenowskiego jako diagnostyki plazmy wysokotemperaturowej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.