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。
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摘要
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电子温度和密度。通过使用约翰型（Johann）谱仪从偏离轴向的角度观测等离子体，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，这是一种具有高波长分辨率的空间成像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形半径分别为 0.67 m 和 0.22 m 的托卡马克聚变装置。它通常以持续约 2 秒的氘等离子体运行，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，中等至高 Z 杂质元素会高度电离，并在 X 射线波段辐射，而 HIREXSR 可测量这些 X 射线。通过在诊断良好的实验室等离子体中获得的 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而设计的。因此，有必要对仪器本身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。当光子从晶体相邻层反射....
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方案
1. 选择合适的光谱线
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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....
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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通道，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，可观察到等离子体温度和环向速度剖面呈反转型分布的一个示例，如图21所示。HIREXSR测量得到的离子温度与其他测量通道的独立诊断结果一致1。利用氩（一种再循环杂质）可实现对整个等离子体演化过程中离子剖面的连续测量。这对于研究时间尺度超过杂质约束时间的输运过程至关.......
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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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| PILATUS 100k 探测器系统 | DECTRIS | 100k | 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 | |
| 高纯度氩气 | Airgas | AR HP300 | 任何高纯度氩气均可使用 |
| 铍窗 | Brush Wellman Electrofusion Products / Motion Hightech | 定制部件 |
参考文献
- Reinke, M. L., et al. X-ray imaging crystal spectroscopy for use in plasma transport research. Rev. Sci. Instrum. 83 (11), 113504(2012).
- Hill, K. W., et al.
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重印与许可
