Engineering

L'application X-ray Imaging Cristal Spectroscopie pour l'utilisation en tant que haute température Diagnostic plasma

Published: August 25, 2016 doi: 10.3791/54408

Norman M. Cao¹, Andrés M. Mier Valdivia², John E. Rice³

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

Summary

Les spectres de rayons X fournissent une mine d'informations sur les plasmas à haute température. Ce manuscrit présente le fonctionnement d'une résolution de longueur d'onde haute imagerie spatialement spectromètre à rayons X utilisé pour afficher des ions de l'hydrogène et l'hélium comme des éléments de numéro atomique moyen dans un plasma de tokamak.

Abstract

spectres de rayons X fournissent une mine d'informations sur les plasmas à haute température; par exemple la température électronique et la densité peut être déduite à partir des rapports d'intensité de la ligne. À l'aide d'un spectromètre Johann visualisation du plasma, il est possible de construire des profils de paramètres du plasma, comme la densité, la température, la vitesse et avec une bonne résolution spatiale et temporelle. Cependant, l'analyse comparative de modélisation de code atomique de spectres de rayons X obtenu à partir de plasmas de laboratoire bien diagnostiqués est important pour justifier l'utilisation de ces spectres pour déterminer les paramètres du plasma lorsque les autres diagnostics indépendants ne sont pas disponibles. Ce manuscrit présente le fonctionnement du spectromètre imageur à haute résolution des rayons X en cristal avec résolution spatiale (HIREXSR), une résolution de longueur d'onde haute imagerie spatialement spectromètre à rayons X utilisé pour afficher des ions de l'hydrogène et l'hélium comme des éléments atomiques moyennes numériques dans un tokamak plasma. En outre, ce manuscrit couvre un système de soufflage laser qui peut introduire ces ionsau plasma avec un timing précis pour permettre des études perturbatifs de transport dans le plasma.

Introduction

HIREXSR est déployé sur Alcator C-Mod, un dispositif de fusion tokamak avec un rayon majeur et mineur de 0,67 m et 0,22 m respectivement. Il fonctionne généralement avec des plasmas de deutérium durable ~ 2 sec avec des densités moyennes entre 0,2 à 8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 3 keV. Dans ces conditions, le milieu à des éléments d'impureté élevée Z devenir hautement ionisé et rayonnent dans la gamme des rayons X, qui HIREXSR mesures. Analyse comparative de la modélisation de code atomique de spectres de rayons X obtenu à partir de plasmas de laboratoire bien diagnostiqués est important pour justifier l' utilisation de ces spectres pour déterminer les paramètres du plasma lorsque les autres diagnostics indépendants ne sont pas disponibles ^4.

Chaque spectromètre est construit pour son utilisation souhaitée. En conséquence, une description générale de la machine et de ses concepts connexes est nécessaire pour comprendre pleinement ces puissants outils ^5. La réflexion de Bragg se produit lorsqu'un photon est réfléchie par les couches adjacentes d'un cristal et se déplace sur une distance qui est un multiple de sa longueur d' onde. La figure 1 illustre ce phénomène. Cette condition est exprimée par l'équation nX = 2 d sin θ _b, où n est l'ordre de reréflexion, λ est la longueur d' onde du photon, d est la séparation entre les couches adjacentes du cristal et θ _b est l'angle de Bragg. Une correspondance biunivoque entre λ et θ _b indique que tous les photons à un point du Voyage détecteur plan avec la même longueur d' onde spécifique. En pratique, toutefois, les limites d'absorption et de précision se manifestent comme un écart par rapport à l'angle de Bragg. Il en résulte que dans une petite plage d'angles qui produisent une interférence constructive importante, représentée par une courbe de basculement ^6. La figure 2 est une courbe d'exemple , pour un cristal de calcite.

HIREXSR est un spectromètre Johann avec un cristal sphérique plié ^7. Avant de décrire ce genre de dispositif, une discussion, un spectromètre circulaire simple est approprié. Cette mise en place se compose d'un cristal courbé qui reflète les photons entrants à leur Bragg respective anglesWards un réseau de rayons X détecteurs de comptage de photons à pixel unique. Le cristal et le détecteur pondent tangente au cercle de Rowland, comme indiqué sur la figure 3. Le diamètre du cercle de Rowland est égal au rayon de courbure du cristal. Tous les rayons à partir d'un point situé sur la circonférence à un point quelconque sur le cristal donné ont le même angle d'incidence par rapport à la glace elle-même.

. Dans le cas de HIREXSR, un permis de cristal de résolution spatiale sphérique courbée dans le plan méridien, illustré sur la figure 4 La méridienne foyer f _m est défini comme suit: _m f = R _c sin θ _b, où R _c est le rayon de courbure le cristal. Le sagittal foyer f _s est définie comme: _s f = f - _m / cos θ 2 _b. La résolution spatiale du spectromètre Δ x est donnépar: Équation Où L _cp est la distance entre le cristal et le plasma, et d est la hauteur du cristal. Étant donné que l'espacement en 2 dimensions des couches cristallines est discrète, ceci doit être pris en considération lors du choix d'un matériau. Étant donné que les surfaces de détection sont planes, ils ne peuvent être tangente au cercle de Rowland à un moment donné, ce qui donne par conséquent lieu à une erreur puisque les rayons détectés ne sont pas atterrissaient précisément sur leurs points correspondants sur le cercle de Rowland. Physiquement, ce désalignement manifeste comme un «étalement» de photons d'énergie spécifique sur le détecteur. Cette erreur est définie comme Johann Équation Où l est la largeur du cristal. Si le détecteur pixel ôx largeur _p est beaucoup plus grande que l'erreur Johann, la résolution spectrale est indépendante de celui - ci. Si elles unere de taille comparable, l'erreur totale peut être approchée par . Le pouvoir de résolution du spectromètre à cristal est donnée par: Équation , où . Au lieu de placer la tangente du détecteur à un point situé sur le cercle de Rowland cependant, dans HIREXSR le détecteur est légèrement incliné par rapport à sacrifier la précision pour la gamme spectrale, comme représenté sur la figure 5. L'analyse d'erreur a été vérifié expérimentalement et est conforme aux attentes ^8.

Il y a deux paramètres cruciaux à considérer lors de la conception d'un spectromètre de Johann. Tout d'abord, la gamme d'imagerie détermine ce que le spectromètre observera. Pour l'étude des plasmas, il est hautement souhaitable de voir sa section entière afin de faire la distinction entre les changements de ligne causés par poloidal et toroirotation dal. HIREXSR est monté de manière à pouvoir visualiser l'ensemble du plasma, et est légèrement incliné vers désaxé par ~ 8 ° (illustré sur la figure 6) pour permettre des mesures précises toroïdaux. Deuxièmement, la résolution temporelle régule le temps minimum entre les événements que le spectromètre peut enregistrer. Pour Alcator C-Mod, les valeurs souhaitables sont inférieures à 20 msec, plus courtes que les temps de l'énergie et de confinement des particules. Les détecteurs de comptage pixels X-ray HIREXSR utilisations peuvent soutenir une résolution temporelle de 6 à 20 msec ou plus ^9. Le tableau 1 résume toutes les spécifications du module.

Pour les études de plasma perturbatifs, le laser du système blow-off sur Alcator C-Mod est utilisé pour fournir de multiples ablations avec un timing précis ^10. Le laser est un laser Nd: YAG (grenat d'yttrium aluminium dopé au néodyme) fonctionnant jusqu'à 10 Hz. Le laser est incident sur un train optique commandé à distance , comme illustré sur la figure 7 et qui porte bouvillonsle faisceau vers l'emplacement souhaité sur la diapositive. tailles de spot du laser doivent être contrôlés afin de l'injection ne perturbe pas le plasma. Une longue distance focale (1,146 mm) de la lentille convergente est translaté le long de l'axe optique par l'intermédiaire d'un étage linéaire commandé à distance pour permettre des tailles de tache ablatées pour faire varier de ~ 0,5 à 7 mm. Rapide orientation du faisceau est réalisée par l'intermédiaire d'un miroir piézoélectrique 2D. Ce système piézo-électrique est monté sur un miroir RS232 entraîné montage capable. En plus du laser Nd: YAG, une diode laser à 633 nm est utilisée pour indiquer l'emplacement du faisceau principal (infrarouge). Les poutres sont faites pour être colinéaire à travers le premier miroir.

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Protocol

1. Choisir des lignes spectrales appropriées

Choisissez des lignes d'émission appropriées qui détermineront la qualité des données obtenues. La figure 8 montre les lignes d'émission de gaz nobles seront pertinentes à des valeurs différentes pour la température électronique.
1. On notera que les rapports d'état d'ionisation et de ligne sont déterminées par la compétition d'ionisation, l'excitation collisionnelle, la recombinaison radiative et la recombinaison diélectrique. Ces procédés peuvent varier en fonction de la température du plasma et de la densité. Voir la figure 9 pour un exemple de cette variation.
Reportez-vous à d'autres ouvrages publiés pour les longueurs d'onde et les forces relatives des raies d'émission d'intérêt. Dans ce protocole, utiliser des ions Z He-comme moyen comme caractérisé en riz, JE et al. (2015) ^4. Voir la Figure 10 pour un exemple de spectre.
Noter qu'il est important d'étudier les satellites à partir de lignes en dehors de la série principale, car ils coULD non résolu avec les lignes qui sont mesurés. Certaines impuretés intrinsèques (Fe, Mo, Ti, etc.) seront toujours présents de la structure face au plasma et les composants dans le tokamak. Par exemple, la figure 11 suggère argon Ly _α1 est un meilleur choix que la ligne _{de α2} Ly puisque celle - ci chevauche une ligne de molybdène.
Pour les plasmas dans les plages de température autour de 0,5-3 keV, capturer les lignes Il-comme suit pour l' argon (tous à partir de n = 2 transitions): résonance (w, 1s ² ¹ S ₀ - 1s2p ¹ P _1), interdites (z, 1s ² ¹ S ₀ - S ₁ 1s2p ³⁾ et intercombinaison (x, 1 s ² S ¹ ₀ - 1s2p ³ P ₂ et y ² ¹ S 1 s ₀ - 1s2p ³ P _1). Pour l'argon n = 2 transitions, le spectre H-like se situe entre 3,72 Å <λ <3,80 Å et spectr Il-likeum se situe entre 3,94 Å <λ <4,00 Å. Voir Figure 11 et Figure 12 pour les parcelles de ces spectres.

2. Montage du matériel HIREXSR

Reportez - vous aux œuvres publiées pertinentes pour les détails et les détails sur le montage et la construction HIREXSR ^1,2,5. Cette section se concentrera sur les étapes les plus importantes et critiques dans cette procédure.
Mont HIREXSR sur l'un des ports de Alcator C-Mod en forme de piste de course, un angle pour permettre une vue 8 ° hors diagonale.
Obtenir une circulaire (102) crystal -quartz avec un espacement 4,56215 Å 2d, un diamètre de 50 mm et un rayon de 1385 mm de courbure pour voir le spectre de H-like.
Obtenir une forme rectangulaire (102) -quartz avec un espacement Å 2D 4,56215, une largeur de 64 mm et une hauteur de 27 mm pour afficher le spectre Il-like.
Insérez et montez les deux cristaux dans le logement de HIREXSR en accédant au logement du spectromètre parla trappe située sur le côté. Voir Figure 13 pour leur mise en page.
Par la même trappe, boulonner les quatre détecteurs sur les supports mobiles désignés dans le corps du spectromètre, réservant un détecteur pour le spectre de H-like, et les trois autres pour le spectre Il-like. Cet agencement est illustré sur la figure 14.
Positionner les montures de 125 cm de distance à partir des cristaux de telle sorte que la ligne à partir du centre des cristaux à celle des détecteurs fait un angle θ _b / 2 avec la ligne du centre du cercle de Rowland au centre du cristal, où θ _b est l'angle de Bragg du centre du spectre mesuré. Voir Figure 5.
1. Notez que pour l' argon, le cristal H comme utilisé dans les résultats θ _b = 55,5 °, et le He-like cristal résultats utilisés dans θ _b = 60,5 °.
Angle des détecteurs pour correspondre à laagencement modifié illustré à la figure 5.
1. Notez que l'alignement précis des détecteurs n'a pas d'importance, car les données recueillies seront étalonnés par rapport à une source connue pendant la course expérimentale.
l'atmosphère d'hélium séparée HIREXSR du vide du tokamak en installant une fenêtre 0,001 "d'épaisseur et 4" de diamètre béryllium. Voir Figure 13 pour sa mise en page.
Installer une vanne 10 "de grille entre la fenêtre et le réacteur à protéger contre une défaillance de la fenêtre de béryllium.
1. Notez que la vanne doit se fermer lorsque la pression locale dépasse 10 mTorr pour éviter tout dommage à la fois le spectromètre et le tokamak.
Reportez - vous à la figure 6 et la figure 15 pour les top-down et des vues de côté, respectivement, de HIREXSR et Alcator C-Mod, ainsi que des distances relatives des détecteurs et des cristaux, et entre le spectromètre et tokamak.

Reportez - vous aux œuvres publiées pertinentes pour les détails et les détails sur la construction du laser appareil soufflage ^10.
Pour injecter le calcium, prendre ₂ diapositive 2 CaF um avec 100 Å de chrome (pour aider à l' absorption du laser dans le matériau) et placer la lame dans le système soufflage laser. Comme cela nécessite l'accès au réacteur C-Mod, le faire avant le début des opérations pour la journée.
Changer le canal 14 sur le système de télévision par câble en circuit fermé de Alcator C-Mod pour afficher une caméra CCD noir et blanc qui regarde la diapositive. Le spot laser à diode 633 nm doit être visible sur la diapositive.

4. Exécution d'une expérience Plasma

Au début de la journée d'exécution, démarrez le script qui va collecter et enregistrer les données des détecteurs de rayons X de comptage de pixels pour chaque essai expérimental, ou "shot". Cela dépendra de la configuration du détecteur spécifique en place. Les étapes spécifiques à HIREXSR sont présentés ici.
1. D'un poste de travail dans la salle de contrôle C-Mod, mettre en place un terminal de ligne de commande.
2. Connectez-vous à un détecteur à distance en entrant "ssh -X det @ dec0xx", où xx gammes 07-10.
3. Modifiez les répertoires en entrant "p2_1mod cd"
4. Exécutez la commande "runtvx". Cela fera apparaître une fenêtre qui avalanche avec le texte.
5. Une fois que le texte arrête, appuyez sur Entrée deux fois. Le script de démarrage fixe le taux de trame à 50 Hz et de l'énergie de seuil ~ 2 keV. Une autre avalanche de texte se produira et les détecteurs commencera calibrage.
6. Attendez que tout cela se termine, et entrez "exit" dans la fenêtre.
7. Répétez l'opération pour chaque détecteur 07-10.
Tout au long de la journée, maintenir une atmosphère d'hélium à HIREXSR légèrement supérieure à la température ambiante en pompant en continu du gaz dans le boîtier pendant la durée de l'opération. Cela réduit l'atmosphère atten X-rayluation et la dilatation thermique du cristal.
Collaborer avec le personnel technique sur place pour assurer le plasma atteint les paramètres du plasma souhaités lors de la prochaine prise de vue. Si les paramètres sont à changer de plan à plan, communiquer à l'équipe d'ingénierie entre chaque prise de vue.
1. De plus, parfois au cours de la journée de l'exécution, demander un "mode verrouillé" tir de l'équipe d'ingénierie pour l'étalonnage des données prises ce jour-là. Voir Reinke et al. 2012 ¹ pour une explication des modes de verrouillage et de la façon dont ils sont utilisés pour l' étalonnage.
Pour les études de transport perturbatifs: Avant chaque tir, le programme du système blow-off laser pour injecter la concentration souhaitée d'impuretés non-recyclage (CaF _2, Sc, etc.) dans le plasma à des moments souhaités.
1. Décider sur une taille de tache laser, qui contrôle la quantité de matière ablatée de la diapositive. De l'expérience opérationnelle au Alcator C-Mod, environ 10% du compagnon ablatéerial rend dans le noyau de plasma pendant le fonctionnement à faible puissance ^10. tailles de spot typique comprise entre 0,5 et 3,5 mm.
2. Déterminer les timings coup d'arrêt souhaités, en gardant à l'esprit la vitesse maximale de fonctionnement de 10 Hz.
3. Entrez la taille du point désiré et timings au laser soufflage contrôle du système GUI. Par exemple, l'étude sur le transport par Rice et al. 2013 ¹¹ varier les tailles de spot de 0,5 à 3,5 mm et eu des injections toutes les 300 msec.
Pour toutes les études: Régler la vanne de gaz à gonfler l'argon dans le plasma de 0,3 s après le plasma commence. La pâte devrait durer environ 0,1 seconde et augmenter la densité de l' argon à environ 10 ^-4 fois la densité d'électrons.
Utilisez dwscope pour afficher les données de diagnostic en direct au cours de la journée de course pour les systèmes utilisant MDSplus, tels que C-Mod.
1. A partir d'une station de travail dans la salle de contrôle du tokamak, dwscope ouverte à partir du menu de l'application
2. Obtenir un ou plusieurs fichiers de portée des diagnostics pertinents présentés à partir de another utilisateur, ou de créer ceux personnalisés à l'aide du MDSplus Arbre Command Language (avancé).
3. Cliquez sur "Personnaliser | Utiliser les paramètres enregistrés à partir de ..." et sélectionnez un fichier de champ pour la charger. Un exemple portée utile, plasma_n_rot_z.dat, est montré avec l'interface graphique de dwscope à la figure 16.
4. Laissez le champ dans la barre inférieure vierge et les données seront chargées de la prise de vue la plus récente.
5. Si vous le souhaitez, entrez un numéro de tir, puis cliquez sur "Appliquer" pour charger des données à partir d'un plan spécifique.
Informer les opérateurs d'ingénierie que tous les préparatifs de la prochaine prise de vue sont complets et qu'ils peuvent procéder à enflammer le plasma.
Attendez que les opérateurs pour lancer le plasma et pour cela à la fin. Dans Alcator C-Mod, le processus d'initiation durera environ 3 min et le plasma va brûler moins de 10 sec.
1. Si vous utilisez le système de soufflage laser, confirmer visuellement coulissant ablation via la vue de la caméra de la diapositive (voir la section 3).
Attendez que le tokamak refroidir afin de procéder à la photo suivante. Dans Alcator C-Mod, ce processus va durer 10-15 minutes.
1. Utilisez ce temps pour apporter des modifications à l'expérimental mis en place et de les communiquer aux opérateurs afin qu'ils puissent être utilisés ultérieurement, si on le souhaite.
Notez que si les modifications apportées au matériel sont souhaitées, les chercheurs doivent demander un "accès à la cellule" aux opérateurs, au cours de laquelle ils vont ouvrir le tokamak et dégager d'autres caractéristiques de sécurité pour permettre aux gens d'entrer dans les alentours de Alcator C-Mod. Sinon, l'accès sans restriction est disponible avant et après le jour de l'exécution. Hardhats devraient toujours être portés lorsque vous travaillez à proximité du réacteur.
Utilisez dwscope comme avant d'examiner tous les diagnostics plasma désirés après le jour de l'exécution a conclu.
1. Notez que les données peuvent également être accessibles par programmation différentes API MDSplus pour les différentes langues.

5. Calibrage desHIREXSR données en mode Verrouillé Utilisation THACO

Utilisez le code Analyse HIREXSR (THACO) pour inverser les données HIREXSR, qui est en ligne intégrée ^12. Référence et ventilation détaillée pour l'ensemble de ces étapes peuvent être trouvés en ligne dans le Manuel de THACO inédit sur le MIT Plasma science et de la Fusion Center (PSFC) bibliothèque en ligne. Cette section couvre la première configuration et le lancement de THACO, suivi par le processus d'étalonnage.
Suivez les instructions sur la page wiki Alcator C-Mod pour THACO configurer THACO pour une utilisation pour la première fois sur une machine connectée au réseau PSFC. Vous pouvez aussi avoir besoin de demander l'accès en écriture à l'arbre de SPECTROSCOPIE de l'administrateur du réseau.
Entrez 'idl' en une ligne de commande à partir de lancer l'interface de ligne de commande IDL.
De IDL, entrez '@ thaco.bat' pour lancer THACO.
Identifier un mode verrouillé pour être utilisé pour l'étalonnage des données.
1. Ouvrez un navigateur Web et accédez au journal de bord PSFC.
2. Clique le " bouton de requête "personnalisé pour afficher une page de recherche.
3. Dans la zone de texte de requête personnalisée, entrez "SHOT LIKE '%%% 1yymmdd' et TEXT LIKE '% verrouillé en mode%'", où yymmdd est l'année / mois / jour de la journée de course, pour faire apparaître les entrées du journal contenant le texte verrouillé mode.
4. Déterminer le nombre tiré du mode verrouillé à partir des entrées de journal, et de prendre note du mode start / end verrouillées.
5. Notez que d' avoir une base de référence de mode verrouillé est pas strictement nécessaire pour tous les diagnostics, comme ceux qui impliquent des rapports en ligne , comme la détermination de la température électronique ^13, mais il est fortement recommandé puisque l'angle de Bragg peut changer de jour en jour à cause de réseau cristallin expansion / contracter ¹⁴ .
Dans le THACO GUI, entrez le mode verrouillé numéro tiré du champ de texte "(ACTIVE) SHOT", et appuyez sur Entrée.
Appuyez sur le bouton "LANCER W_HIREXSR_CALIB" et lancer le widget d'étalonnage.
1. Dans la fenêtre thà pops up, assurez-vous que le champ intitulé "SHOT" contient le mode tir numéro verrouillé, et de prendre note du nombre de "MODULE". Appuyez sur Entrée après des modifications sont apportées à un domaine quelconque.
2. Cliquez sur le bouton "LOAD" dans le tiers supérieur de la fenêtre et attendez que les données à charger.
3. Cliquez sur "LOAD" dans le tiers médian de la fenêtre et attendez plus de données à charger.
4. Si les données sont correctement chargés et les ellipses d'ajustement semblent bonnes, répéter l'étape de calibration avec un nombre différent dans le champ "MODULE" (1-4), le tir de mode verrouillé a déjà été étalonné.
5. Si tous les modules (1-4) ont déjà été étalonné, sauter le reste de l'étalonnage et d'alignement du détecteur étapes depuis la prise de vue a déjà été étalonnés, et passez directement à la section 6.
Commencez montage spectrale en sélectionnant l'option appropriée dans le coin supérieur droit de la fenêtre. Seul H-like et il comme Ar et spectres Ca are pris en charge hors de la boîte pour le moment.
1. Réglez le "t1 =" et "t2 =" champs au mode de début / fin fois verrouillés respectivement qui sont mentionnés dans le journal de bord.
2. Déplacer le "FIT LOW" et "FIT HIGH" curseurs jusqu'à ce que la région de l'ajustement, désigné par des lignes blanches pointillées superposées sur le spectre dans la partie supérieure gauche, ne contient que la région où les raies spectrales d'intérêt sont visiblement résolus.
3. Cliquez sur le bouton «FIT / SAVE SPECTRA" et attendez que le processus d'ajustement à la fin.
4. Une fois que le processus d'ajustement est terminé, utilisé le curseur "SPEC" ou les flèches gauche / droite à côté de lui dans le tiers moyen de l'interface graphique pour inspecter visuellement toutes les crises spectrales.
5. Retirez tout mauvais ou aberrant correspond en cochant la case "BAD" à côté du curseur "SPEC". Référence les oeuvres trouvées dans l'étape 1.3 pour la comparaison avec des spectres connus. Par exemple, les spectres Ca He-comme ressemblera Figure 10.
6. Commencez ellipse montage en sélectionnant la ligne souhaitée (w, x, y, z) à partir du tiers inférieur de l'interface graphique.
  1. Cliquez sur le bouton "ELLIPSES FIT" et attendez que les ellipses soient aptes à les crises spectrales.
  2. Déplacer les "LOW", "HIGH", et les curseurs "de outl" jusqu'à ce que l'ellipse correspond visuellement correspond à des spectres. Les ellipses sont aptes à une méthode des moindres carrés non linéaire MPFIT ^15, qui peut être méticuleux.
  3. Cliquez sur le bouton "Enregistrer ELLIPSES" lorsque vous avez terminé, et répétez le processus avec la ligne souhaitée suivante.
  4. Lorsque toutes les lignes ont été en forme, changer le "MODULE" à un autre module (1-4) qui n'a pas encore été étalonné et appuyez sur Entrée, et procéder à nouveau à l'étape 5.7.1.
  5. Lorsque tous les modules ont été calibrés, cliquez sur le bouton "QUIT" (pas le 'x') pour fermer le widget.
7. Appuyez sur le bouton "LANCER W_HIREXSR_DET_ALIGN" pour lancer le widget d'alignement du détecteur. <ol>
8. Dans le champ "SHOT", entrez le numéro de tir d'un récent mode verrouillé connu qui a déjà été calibré et appuyez sur Entrée. Prenez note du champ "MODULE".
9. Cliquez sur le bouton "LOAD" et attendre que les données à charger.
10. Dans le coin inférieur gauche, écrire toutes les valeurs du curseur dans le panneau "POSITION DETECTEUR".
11. Dans le champ "SHOT", entrez le numéro de tir du mode verrouillé étant calibré et appuyez sur Entrée.
12. Cliquez sur le bouton "LOAD" et attendre que les données à charger.
13. Entrez les valeurs écrites précédemment dans le panneau "POSITION DETECTEUR", appuyez sur ENTRÉE après chaque changement.
14. Modifiez les valeurs dans le panneau "POSITION DETECTEUR", soit par les curseurs ou en modifiant manuellement les valeurs dans les champs de saisie, jusqu'à ce que tous ou la plupart des résidus circulaires se situent dans la barre verte.
15. Modifiez le champ "MODULE" à un module (1-4) qui n'a pas encore été alignés et press entrer. Ensuite, passez à l'étape 5.10.1.
16. Lorsque tous les modules ont été alignés, cliquez sur le bouton "QUIT" (pas le 'x') pour fermer le widget.
17. L'étalonnage est maintenant effectué; passez à la section 6 de la prise de vue en mode verrouillé.

6. Analyse avancée des données à l'aide HIREXSR THACO

Utilisez le code Analyse HIREXSR (THACO) pour inverser les données HIREXSR, qui est la ligne intégrée ^11. Référence et ventilation détaillée pour l'ensemble de ces étapes peuvent être trouvés en ligne dans le Manuel de THACO inédit sur le MIT Plasma science et de la Fusion Center (PSFC) bibliothèque en ligne. Cette section couvre le processus d'inversion réelle pour afficher les données de profil.
Déterminer le nombre de tir pour le tir d'intérêt.
De l'THACO GUI, définissez le champ "(ACTIVE) SHOT" au numéro de tir, et appuyez sur Entrée. L'interface graphique devrait reconnaître le changement dans le journal sur le fond.
Choisissez la ligne spectrale d'intérêt, définissez le champ &# 34;. LINE "pour le numéro de ligne d'intérêt pour l'argon, ce sera généralement 2 pour la ligne z Il-like, et 3 pour la ligne de lya1 H-like.
1. Cliquez sur "LISTE THACO numéros de ligne" à la liste de tous les numéros de ligne disponibles.
Cliquez sur l'onglet "BINNING" dans la partie supérieure de l'interface graphique.
1. Cliquez sur "CHECK THT DISPONIBILITÉ" pour vérifier la disponibilité THACO Tree (THT). La partie inférieure de l'interface graphique doit se connecter tous les arbres THACO disponibles.
2. Définissez le champ "nouvel arbre de THACO (THT) nombre" pour le premier numéro ne figure pas dans la disponibilité.
3. Cliquez sur le bouton "CREATE" pour créer une nouvelle THT analyse afin précédente ne sont pas écrasées.
4. Cliquez sur "CHECK THT DISPONIBILITÉ" pour actualiser la liste des disponibles thts.
5. Modifiez le champ "THT" à côté du "(ACTIVE) SHOT" champ au nombre THT nouvellement créé, et appuyez sur Entrée. Le journal GUI devrait reconnaître cette action.
Si til tir actuel est pas un mode verrouillé, cliquez sur l'onglet "CALIB" dans la partie supérieure de l'interface graphique.
1. Changer le "Data Calibration De Shot" en mode verrouillé pour être utilisé pour étalonner les données.
2. Appuyez sur le bouton "COPIE" pour copier sur le calibrage.
Cliquez à nouveau sur l'onglet "BINNING".
1. Consultez le manuel THACO pour obtenir des instructions sur la prise de mesure Binnings.
2. Pour copier binning d'une analyse précédente, entrez le tir / THT dans leurs domaines respectifs (appuyez sur ENTRÉE après chaque changement) dans le panneau avec le bouton "COPY".
3. Copier sur binning: Sélectionnez "BRANCHE A" et cliquez sur "COPIE", puis sélectionnez "BRANCH B" et cliquez sur "COPY" à nouveau.
Cliquez sur l'onglet "PROFILS" dans la partie supérieure de l'interface graphique.
1. Consultez le manuel THACO pour obtenir des instructions sur la façon d'utiliser les fonctions avancées présentes dans cette section.
2. Sinon, entrez le tir / THT froma précédente analyse dans leurs domaines respectifs (appuyez sur ENTRÉE après chaque changement) dans le panneau supérieur.
3. Cliquez sur le bouton "LOAD RHO", puis sur le bouton "LOAD GOOD".
Cliquez sur le bouton "RUN THACO", et THACO va commencer le processus d'inversion. Cela peut prendre quelques minutes.
A noter que THACO se passe réellement par une série d'étapes indépendantes au cours de ce processus: l'exécution d'un ajustement multi-gaussienne sur les spectres pour le calcul des moments de différentes lignes, à l'aide de ces instants pour calculer les données de profil de ligne intégré, puis inverser les données de la ligne intégrée par une méthode des moindres carrés. sorties intermédiaires de ces étapes, utiles pour le dépannage, peuvent être trouvés dans les moments et les profils des widgets. Les utilisateurs intéressés sont invités à consulter le manuel THACO pour plus d'informations sur ces étapes et comment utiliser ces widgets pour un contrôle plus fin sur le processus d'inversion.
Une fois les processus de fini inversionshes, des «profils» Cliquez sur l'onglet "LAUNCH_W_HIREXSR_PROFILES" à inspecter visuellement les profils.
1. Appuyez sur le bouton "LOAD" dans le panneau "Arbre I / O" au fond et attendre que les données à charger.
2. Si le processus automatisé échoue, trouver "DO INVERSIONS POUR" et cliquez sur "ALL" pour refaire rapidement tous les inversions.
3. inspecter manuellement les profils inversés sur la droite en utilisant le "TIME" curseur en bas pour changer les cadres.
4. S'il y a des profils inversés qui semblent être mauvais (par exemple, les températures négatives, des gradients non physiques vers le bord, etc.), utilisez les touches - / + à côté de "CH #" pour sélectionner les chaînes aberrantes sur la gauche, et décochez la option "GOOD" pour les retirer de l'étape d'inversion.
  1. Notez que les émissions ont tendance à être plus faible vers le bord donc l'incertitude est plus élevé; cependant, la température inversée doit encore aller à un petit (pas nécessairement) zvaleur ero au bord.
5. Trouver "DO INVERSIONS POUR" et cliquez sur "CURRENT" pour inverser le profil pour la trame courante. Répéter l'élimination des valeurs aberrantes jusqu'à ce que le profil inversé semble correct.
6. Appuyez sur "SAVE" après que les données semble satisfaisante.
7. Utilisez le widget de profils pour inspecter les données.
Si vous le souhaitez, cliquez sur "W_HIREXSR_COMPARE LANCER" dans l'onglet "COMPARE" pour comparer les profils construits à partir de différentes lignes spectrales. Un scénario courant lorsque cela est utile est lorsque la température du noyau de plasma devient assez chaud pour l'argon H comme l'émission de dépasser l'émission He-comme.
Notez que les données peuvent également être accessibles par programmation différentes API MDSplus pour les différentes langues. Reportez-vous au manuel THACO pour les chemins pertinents.

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Representative Results

Un échantillon représentatif de données provenant du détecteur de pixel pour une trémie de temps pour le spectre de l' argon , il est analogue représenté sur la figure 17. Les raies spectrales, courbé en une forme elliptique par le cristal sphérique, sont clairement visibles. Le détecteur supérieur a un panneau détecteur cassé, et il y a quelques pixels morts dispersés à travers tous les détecteurs. Les données du panneau de détecteur cassé doivent être ignorées. Tranches provenant du détecteur représentant les spectres mesurés et les résultats de la mise en place spectrale effectuée par THACO sur une seule corde sont représentés sur la figure 18 et la figure 19. Le profil de données de ligne intégrée résultante est représentée sur la figure 20.

Un exemple d'une température du plasma inversé et le profil de vitesse toroïdale créé par THACO à partir des lignes d'argon Il analogues peut être vu sur la figure 21. Les températures de l' ion à mesurerde HIREXSR d' accord avec le diagnostic indépendants dans d' autres canaux de mesure ^1. Utilisation de l'argon, une impureté de recyclage, permet profils d'ions à mesurer sur l'ensemble de l'évolution du plasma. Cela est essentiel pour les études de transport comme dans Rice et al. 2013 ^11, dont l' évolution étude de plasma sur des échelles de temps plus long que le temps d' impureté de confinement. Si les détecteurs ont été placés à la place pour mesurer une impureté transitoire, tels que le calcium, HIREXSR fournirait des données de profil transitoires. Voir Howard et al. , 2011 ¹⁰ pour une telle étude.

Figure 1. Illustration de Bragg Reflection. Rayons entrants réfléchir et constructive interfèrent en fonction de leur angle d'incidence et la longueur d' onde. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2. Rocking Curve pour un cristal de calcite. La courbe noire est le meilleur ajustement aux données observées, tandis que la ligne en pointillés est le cas idéalisé où il n'y a pas d' absorption.

Figure 3. Un Johann Spectrometer avec un cristal Bent. Rayons entrants incident sur le même emplacement sur la circonférence du cercle ont le même angle d'incidence sur le cristal et finissent sur le même emplacement sur le détecteur. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une une plus grande version de ce chiffre.

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Figure 4. Johann Spectrometer avec Bent Cristal sphériquement. La courbure sphérique du cristal permet une résolution spatiale le long du plan méridienne, donc les spectres sont capturés le long de multiples accords de ligne moyennée par le plasma. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande cette figure.

Figure 5. L'alignement détecteur à cristaux utilisés dans HIREXSR. En HIREXSR, le détecteur est légèrement incliné de l'arrangement standard pour permettre une plus grande gamme de longueurs d'onde à mesurer. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6 descendante CAD Vue de HIREXSR. Ce dessin CAO montre les positions relatives des deux réseaux de détecteurs et le spectromètre à cristal récipient sous vide Tokamak, qui contient le plasma. La ligne de visée du spectromètre est légèrement incliné hors axe pour permettre la rotation toroïdale à mesurer par le décalage Doppler.

Figure 7. Disposition du système optique. Cette figure montre la disposition du système optique pour le système de soufflage laser de Howard et al. ^10.

Figure 8. Abondance Fractional Etat de charge pour différents gaz nobles. Ce graphique montre les abondances d'état de charge fractionnairepour divers gaz nobles en équilibre coronale. États entièrement dénudés sont en représentés en traits pleins, H-comme avec pointillés, He-comme avec tiret-point et Ne-like avec le tiret-point-point. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 9. Ca ¹⁸⁺ k / Ratios de luminosité w. Le rapport de luminosité mesurée corde moyenne du satellite diélectronique k à la ligne de résonance w Ca ¹⁸⁺ (points rouges) Il-comme par rapport à la courbe théorique (ligne verte).

Figure 10. Mesuré He-comme Ca ¹⁸⁺ Spectrum. La mesure He-comme Ca ¹⁸⁺ (w, x, y et z) spectre avec satelli tes (le plus important '4', '3', q, r et k) est représenté par les points. Un spectre synthétique calculé par modélisation collisionnel-radiatif indiqué par la ligne solide.

Figure 11. Mesuré H-like Ar ¹⁷⁺ Spectrum. Le spectre mesuré de _l'α doublet Ar ¹⁷⁺ Ly et les satellites à proximité (points verts), avec un spectre synthétique (ligne rouge). Notez le chevauchement entre la ligne Mo ³²⁺ et la ligne _{de α2} Ly.

Figure 12. Il a mesuré analogue Ar Spectre ^16+. Mesurée spectres de rayons X au voisinage de l'Ar ¹⁶⁺ w lignes de résonance. Notez l'échelle logarithmique.

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Figure 13. Vue intérieure montrant des cristaux et soyez fenêtre. La fenêtre de béryllium (a) et de cristaux (b) sont affichés comme vu de l' intérieur du boîtier. La fenêtre Soyez est étiqueté avec le vert, le cristal sphérique avec le rouge et le cristal rectangulaire avec pourpre.

Figure 14. Vue interne Affichage des détecteurs. Le tableau à trois détecteur pour les spectres Il-like est affiché sur la gauche dans (a), et H comme des spectres est indiquée sur la droite dans (b). Les trois détecteurs utilisés pour les spectres Il analogues permettent la capture des spectres à partir du noyau et le bord du plasma simultanément.

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Figure 16. Exemple Vue de dwscope. Cette figure montre une capture d' écran d'une instance de dwscope. Les données de HIREXSR ligne intégré est mis en évidence par la boîte rouge. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 17. Exemple de détecteur de sortie. Cette figure montre un exemple des données brutes recueillies par le detecteurs sur un seul bac de temps pour He-like (haut, milieu) et H-like (en bas) argon spectres. L'axe des ordonnées correspond à la longueur d'onde, et l'axe des x à angle méridienne. Les raies spectrales, pliées en une forme elliptique par le cristal sphérique, sont clairement visibles. Le sommet (1x gain) et en bas (2x gain) spectres sont à partir du noyau, et le spectre du milieu (8x de gain) est à partir du bord. Les lignes vertes en pointillés séparent les différentes régions pour le code approprié spectrale. Le détecteur supérieur a un panneau détecteur cassé, et il y a quelques pixels morts dispersés à travers tous les détecteurs. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 18. Exemple Collected H comme Spectra. Mesuré luminosité moyenne en ligne sur le spectre de l' argon H-like pour unaccord unique et bin de temps (en haut, blanc), correspondant à une seule colonne de pixels dans le détecteur de fond dans la figure 17. Le fond enlevé est en vert, et un ajustement multi-gaussien est représenté en cyan. Le spectre total composite ajustement est représenté par la ligne rouge, et les résidus sont dans la figure du bas. Notez l'accord avec la figure 11.

Figure 19. Exemple Collected He-comme Spectra. Mesuré luminosité moyenne en ligne sur le spectre de l' argon He-comme pour un seul accord et le bac à temps ( en haut, blanc), correspondant à une seule colonne de pixels dans le détecteur haut dans la figure 17. Le fond enlevé est représenté en vert, et un ajustement multi-gaussien est représenté en cyan. Le spectre total composite ajustement est représenté par la ligne rouge, et les résidus sont dans la figure du bas.

Figure 20. Profil Exemple de ligne intégrée. Cette figure montre un exemple des données de ligne intégrées générées par THACO à partir des résultats de la mise en place de la ligne. Il doit être tomographique inversée pour retourner le profil complet.

Figure 21. Exemple Inverted Profils plasma. Cette figure montre des exemples de données qui a été inversé par THACO pour produire des profils de rotation toroïdale température et. HIREXSR permet à la fois la résolution spatiale ( le long de l'axe des y) et la résolution temporelle ( le long de l'axe x). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Type de capteur	Une polarisation inverse à barrette de diodes de silicium
Epaisseur du capteur	320 um
Pixel Taille	172 um x 172 um
Format	487 × 195 = 94,965 pixels
Région	83,8 mm × 33,5 mm
Plage dynamique	20 bits (1: 1.048.576)
Cadence de comptage par pixel	> 2 × 10 ⁶ rayons X / s
Range Energy	3-30 keV
énergie Résolution	~ 500 keV
Plage de seuil réglable	2-20 keV
Temps de lecture	2.7 msec
Frame Rate Maximum	300 Hz
Point Spread Function	1 pixel
T externegréeur / gate	5 V TTL
Consommation d'énergie	15 W
Dimensions	275 × 146 × 85 mm
Poids	1 kg

Tableau 1. Caractéristiques techniques du détecteur. Ce tableau des spécifications du détecteur de listes pertinentes à la conception de HIREXSR.

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Discussion

Les données générées par cette technique peuvent être utilisés dans une grande variété d'études expérimentales. la température des ions et des profils de vitesse toroïdaux peuvent être utilisés dans un large éventail d'études de transport, y compris la rotation de plasma intrinsèque auto-généré et les effets perturbatifs non locaux. Mesure des spectres d'impuretés injectées par laser soufflage peut également fournir des informations importantes sur le transport des impuretés dans le plasma, comme cela a été fait dans Howard et al. , 2011 ^10. A cette époque, aucun autre plasma de diagnostic peut fournir du temps et de résolution spatiale des données de profil d'ions à partir du noyau de plasma ^1, ce qui rend X-ray imagerie spectroscopie une nouvelle méthode pour sonder le comportement du plasma.

L'étape la plus critique dans le protocole est l'identification de raies spectrales dans la région de longueurs d'onde d'intérêt. Il est important que les lignes étant observées sont fortes pour fournir de bonnes statistiques de comptage et réglées à la fois entre eux et othelignes satellites r. La force relative de ces lignes peut changer de façon spectaculaire avec des températures différentes, et les processus quantiques comme la recombinaison diélectrique peut avoir des effets mesurables.

Si les raies spectrales sont faibles, il peut être possible d'améliorer leur résistance en introduisant davantage de l'impureté mesuré. Si une gamme différente de longueurs d'ondes est d'un intérêt, les détecteurs doivent simplement être déplacé le long du cercle de Rowland, aussi longtemps que l'angle de Bragg est toujours comprise entre plus de 45 ° pour éviter les rayons divergents et de moins de 80 ° pour éviter toute interférence entre les entrants et photons réfléchis. Le taux des détecteurs de trame peut également être modifié pour être plus rapide ou plus lente. Le détecteur ne compte pas photons pendant le temps de lecture, de sorte que la fraction de photons capturés augmente avec plus longues, ce qui permet de meilleures statistiques dans les données obtenues.

L'interface spectromètre-réacteur doit être étanche à 10 ^-9 cc /s et capable de supporter une pression différentielle de 1 atm à l'autre côté. La fenêtre de béryllium est le choix idéal pour cette interface en raison de sa haute résistance et bon coefficient de transmission de rayons X, qui est d'environ 40% pour les rayons X 3.1 keV. L'atmosphère d'hélium maintenue dans le boîtier de HIREXSR pour réduire l'atténuation des rayons X à environ ~ 1% des rayons entrants. Le pompage constant assure que l'air ne fuit dans le boîtier et de contaminer l'atmosphère locale. Ces systèmes devraient être vérifié pour les fuites afin d'assurer les rayons X permettent aux détecteurs.

Une chambre à vide serait idéal pour le boîtier du spectromètre. Cependant, une telle chambre est très coûteuse et peu pratique pour maintenir un tel grand spectromètre. Les améliorations futures pourraient se concentrer sur l'utilisation de nouvelles techniques ou des innovations récentes pour créer une interface spectromètre-réacteur et l'atmosphère locale qui minimise l'absorption des rayons X, ou de tenter de faire des dessins actuels ou similaires moins cher et more viable.

La technique est limitée par les exigences de température, lorsque le plasma doit être suffisante pour ioniser l'impureté d'intérêt à chaud, mais suffisamment froid pour permettre une recombinaison. En outre, les états d'ionisation H-like et He-comme sont préférés car leurs spectres sont beaucoup plus simples et plus faciles à caractériser. Cela signifie qu'il est difficile d'obtenir des données à partir du bord de refroidissement du plasma, et il peut exiger une reconfiguration physique de la machine pour obtenir des données utiles à partir de plasmas à travers la gamme de température du tokamak. En outre, la technique est quelque peu limitée par la nécessité de l'exécution des coups de calibrage dû à l'expansion thermique du cristal du spectromètre. Cela pourrait être amélioré à l'avenir avec un meilleur contrôle de la température sur le cristal, ou d'autres techniques d'étalonnage nouveaux.

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Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
PILATUS 100k Detector System	DECTRIS	100k	Superseded by newer PILATUS3 detectors
Bragg Crystals	Kurchaov Institute	Custom Part
CaF₂ Slides	LeBow	Custom Part
High Purity Argon	Airgas	AR HP300	Any high purity argon should work
Be window	Brush Wellman Electrofusion Products / Motion Hightech	Custom part