L'applicazione di X-ray Imaging cristallo Spettroscopia per l'uso come ad alta temperatura del plasma di diagnostica

Summary

spettri a raggi X offrono una ricchezza di informazioni sui plasmi ad alta temperatura. Questo manoscritto presenta il funzionamento di una risoluzione elevata lunghezza d'onda spazialmente l'imaging spettrometro a raggi X utilizzato per visualizzare ioni a idrogeno ed elio-come elementi di numero atomico medio in un plasma tokamak.

Abstract

spettri X fornisce una ricchezza di informazioni su plasmi ad alta temperatura; per esempio, temperatura elettronica e la densità può essere dedotta da rapporti di intensità di linea. Usando uno spettrometro Johann visualizzazione del plasma, è possibile costruire profili di parametri del plasma, quali la densità, la temperatura e la velocità con buona risoluzione spaziale e temporale. Tuttavia, l'analisi comparativa codice modellazione atomica degli spettri a raggi X ottenuto da plasmi di laboratorio ben diagnosticate-è importante per giustificare l'uso di tali spettri per determinare i parametri del plasma quando le altre diagnostiche indipendenti non sono disponibili. Questo manoscritto presenta il funzionamento della High Resolution raggi X di cristallo Imaging Spectrometer con Risoluzione spaziale (HIREXSR), una risoluzione elevata lunghezza d'onda spazialmente Imaging Spectrometer a raggi X utilizzato per visualizzare gli ioni idrogeno e di elio-like di elementi medio numero atomico in un tokamak plasma. Inoltre, questo manoscritto riguarda un sistema blow-off laser che può introdurre tali ionial plasma con tempi precisi per consentire studi perturbativi di trasporto nel plasma.

Introduction

spettri X fornisce una ricchezza di informazioni su plasmi ad alta temperatura; per esempio, temperatura elettronica e la densità può essere dedotta da rapporti di intensità di linea. Usando uno spettrometro Johann visualizzazione plasma fuori asse, è possibile costruire profili di parametri del plasma quali densità, temperatura e velocità all'interno del plasma con buona risoluzione spaziale ^1,2 ore. Questo manoscritto presenta il funzionamento della High Resolution raggi X di cristallo Imaging Spectrometer con Risoluzione spaziale (HIREXSR), una risoluzione elevata lunghezza d'onda spazialmente Imaging Spectrometer a raggi X utilizzato per visualizzare gli ioni idrogeno e di elio-like di elementi medio numero atomico in un tokamak plasma.

HIREXSR viene distribuito su Alcator C-Mod, un dispositivo a fusione Tokamak con un raggio maggiore e minore di 0,67 m e 0,22 m, rispettivamente. E 'tipicamente opera con plasma di deuterio durata di ~ 2 sec con densità medie tra 0,2-8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 3. In queste condizioni, medio elementi impurezze alto Z diventano altamente ionizzato e irradiare nella gamma dei raggi X, che HIREXSR misure. Benchmarking codice modellazione atomica degli spettri a raggi X ottenuto da plasmi di laboratorio ben diagnosticate-è importante per giustificare l'uso di tali spettri per determinare i parametri del plasma quando le altre diagnostiche indipendenti non sono disponibili ^4.

Ogni spettrometro è costruito per il suo utilizzo desiderato. Di conseguenza, una descrizione generale sulla macchina ei suoi concetti correlati è necessario comprendere appieno questi potenti strumenti ^5. Bragg riflessione si verifica quando un fotone riflessa strati adiacenti di un cristallo e percorre la distanza che è un multiplo della sua lunghezza d'onda. Figura 1 illustra questo fenomeno. Questa condizione è espressa dall'equazione nλ = 2 d sin θ _b, dove n è l'ordine del reflection, λ è la lunghezza d'onda del fotone, d è la separazione tra strati adiacenti del cristallo e θ _b è l'angolo di Bragg. Una corrispondenza uno a uno tra λ e θ _b indica che tutti i fotoni in un punto specifico del viaggio aereo rivelatore con la stessa lunghezza d'onda. In pratica, tuttavia, di assorbimento e di precisione limitazioni manifestano come una deviazione dall'angolo di Bragg. Ciò comporta solo una piccola gamma di angoli che producono significativa interferenza costruttiva, rappresentata da una curva dondolo ^6. La figura 2 è una curva di esempio per un cristallo di calcite.

HIREXSR è uno spettrometro Johann con un cristallo sferica piegato ^7. Prima di descrivere questo tipo di dispositivo, una discussione di uno spettrometro semplice, circolare è appropriato. Questo set up è costituito da un cristallo curvato che riflette fotoni al rispettivo Bragg angoli perWards una serie di rilevatori di conteggio di fotoni singoli pixel a raggi X. Il cristallo ed il rivelatore depongono tangente alla circonferenza Rowland, come mostrato in figura 3. Il diametro del cerchio Rowland è uguale al raggio di curvatura del cristallo. Tutti i raggi provenienti da un determinato punto della circonferenza in qualsiasi punto sul cristallo hanno lo stesso angolo di incidenza rispetto al cristallo stesso.

. Nel caso di HIREXSR, un permessi cristallo risoluzione spaziale sferica piegato in piano meridiano, illustrata nella figura 4 meridionale fuoco f _m è definito come: f _m = R _c sin θ _b, dove R _c è il raggio di curvatura il cristallo. Il sagittale fuoco F _s è definita come: F _s = - f _m / cos 2 θ _b. La risoluzione spaziale dello spettrometro Δ x è datadi: , Dove L _cp è la distanza tra il cristallo e il plasma, e d è l'altezza del cristallo. Poiché la spaziatura 2-dimensionale degli strati di cristallo è discreto, questo deve essere preso in considerazione quando si sceglie un materiale. Poiché le superfici del rivelatore sono piane, possono essere solo tangente al cerchio Rowland ad un certo punto, che dà quindi luogo ad errori dal raggi rilevati non sono atterraggio precisamente sui loro punti corrispondenti sul cerchio Rowland. Fisicamente, questo disallineamento manifesta come una "spalmatura" di fotoni di energia specifica sul rivelatore. Questo errore Johann è definito come , Dove L è la larghezza del cristallo. Se il rivelatore a pixel larghezza Ax _p è molto più grande l'errore Johann, allora la risoluzione spettrale è indipendente da esso. Se unre di dimensioni comparabili, quindi l'errore totale può essere approssimata da . Il potere risolutivo dello spettrometro cristallo è data da: , dove . Invece di posizionare la tangente rivelatore ad un punto sul cerchio Rowland tuttavia, in HIREXSR rivelatore sia leggermente inclinato sacrificare accuratezza per la gamma spettrale, come mostrato in Figura 5. Questa analisi errore è stato sperimentalmente verificato e conforme alle aspettative ^8.

Ci sono due parametri fondamentali da considerare nella progettazione di uno spettrometro di Johann. In primo luogo, la gamma di imaging determina lo spettrometro verrà osservando. Per studiare plasmi, è altamente desiderabile per visualizzare tutta la sua sezione trasversale per distinguere tra spostamenti linea causati da poloidale e toroila rotazione dal. HIREXSR è montato in modo da poter visualizzare tutto il plasma, ed è inclinato leggermente fuori asse ~8 ° (illustrata nella figura 6) per consentire misurazioni accurate toroidali. In secondo luogo, risoluzione temporale regola il tempo minimo tra gli eventi che lo spettrometro può registrare. Per Alcator C-Mod, valori desiderabili sono inferiori a 20 msec, più brevi rispetto ai tempi di energia e di confinamento delle particelle. I rivelatori di conteggio dei pixel di raggi X che HIREXSR usi grado di supportare una risoluzione temporale di 6 a 20 msec o superiore ^9. La tabella 1 riassume tutte le specifiche del modulo.

Per gli studi di plasma perturbativi, il sistema blow-off laser su Alcator C-Mod vengono usati per fornire più ablazioni con tempi precisi ^10. Il laser è un Nd: YAG (neodimio-drogato ittrio granato alluminio) operante a fino a 10 Hz. Il laser è incidente su un treno ottico telecomandato come mostrato nella figura 7 che si concentra e manziil fascio nella posizione desiderata sulla diapositiva. dimensioni spot del laser devono essere controllati in modo l'iniezione non interrompe il plasma. Una lente convergente distanza focale (1.146 mm) viene traslato lungo l'asse ottico tramite una fase lineare controllato a distanza per consentire formati di punto sottoposti ad intervento chirurgico per variano da ~0.5 a 7 mm. orientamento del fascio veloce è ottenuta tramite uno specchio piezoelettrico 2D. Questo sistema piezoelettrico è montato uno specchio RS232 guidato montaggio capace. Oltre al Nd: YAG, un diodo laser 633 nm viene utilizzata per indicare la posizione del fascio principale (infrarossi). Le travi sono fatte per essere collineari attraverso il primo specchio.

Protocol

1. La scelta di appropriate linee spettrali

1. Scegli righe di emissione adeguati che determineranno la qualità dei dati ottenuti. Figura 8 mostra quali linee di emissione di gas nobili saranno rilevanti a valori diversi per la temperatura degli elettroni.
   1. Si noti che i rapporti di stato di ionizzazione e di linea sono determinati dalla concorrenza della ionizzazione, eccitazione collisionale, ricombinazione radiativa e ricombinazione dielettrico. Questi processi possono variare con la temperatura del plasma e la densità. Vedi Figura 9 per un esempio di questa variazione.
2. Fare riferimento ad altre opere pubblicate per le lunghezze d'onda e relativi punti di forza di righe di emissione di interesse. In questo protocollo, utilizzare medie ioni Z Egli simili come caratterizzato in Rice, JE et al. (2015) ^4. Vedere Figura 10 per uno spettro esempio.
3. Si noti che è importante studiare i satelliti dalle linee al di fuori della serie principale, in quanto coULD essere risolta con le linee che vengono misurati. Alcuni impurità intrinseche (Fe, Mo, ​​Ti, ecc) saranno sempre presenti dalla struttura affacciati al plasma e componenti nel tokamak. Ad esempio, la Figura 11 indica argon Ly _α1 è una scelta migliore rispetto alla linea _α2 Ly poiché quest'ultimo si sovrappone con una linea di molibdeno.
4. Per plasma a intervalli di temperatura intorno a 0,5-3 keV, catturare le seguenti linee di He-come per l'argon (tutti da n = 2 transizioni): la risonanza (w, 1s ^{2 1} S ₀ - ¹ 1s2p P _1), proibiti (Z, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ S _1), e intercombination (x, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P ₂ ed y, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P _1). Per argon n = 2 transizioni, lo spettro H-come si trova tra 3,72 A <λ <3,80 Å e la spectr He-simileum si trova tra 3,94 A <λ <4,00 Å. Vedere Figura 11 e Figura 12 per appezzamenti di questi spettri.

2. Montaggio dell'hardware HIREXSR

1. Fare riferimento alle relative opere pubblicate per i dettagli e le specifiche per il montaggio e la costruzione di HIREXSR ^1,2,5. In questa sezione si concentrerà sulle fasi più importanti e critici in tale procedura.
2. Mount HIREXSR su una delle porte a forma di pista di Alcator C-Mod, angolato per consentire una visione ° off-diagonal 8.
3. Ottenere una circolare (102) cristallo -quartz con una spaziatura 4,56,215 mila Å 2d, diametro 50 mm, ed un raggio di curvatura 1.385 millimetri per visualizzare lo spettro H-like.
4. Ottenere rettangolare (102) -quartz con una spaziatura 4,56,215 mila Å 2D, una larghezza di 64 mm ed un'altezza di 27 mm per visualizzare lo spettro He-like.
5. Inserire e montare entrambi i cristalli all'interno dell'alloggiamento del HIREXSR accedendo alloggiamento del spettrometro attraversoil portello posto sul fianco. Vedere la Figura 13 per la loro disposizione.
6. Attraverso lo stesso tratteggio, imbullonare i quattro rivelatori sui supporti mobili designati nel corpo spettrometro, riservando un rivelatore per lo spettro H-simile, e gli altri tre per lo spettro He-like. Questa disposizione è illustrata nella Figura 14.
7. Posizionare i supporti 125 cm dalle cristalli modo che la linea dal centro dei cristalli a quella dei rivelatori forma un angolo θ _b / 2 con la linea dal centro del cerchio Rowland al centro del cristallo, dove θ _b è l'angolo di Bragg del centro dello spettro da misurare. Vedere la Figura 5.
   1. Si noti che per l'argon, il cristallo H-come usato risultati in _b θ = 55,5 °, e il He-come il cristallo risultati utilizzati in _b θ = 60,5 °.
8. Angolo i rivelatori per abbinare ladisposizione modificata illustrata nella figura 5.
   1. Si noti che il preciso allineamento dei rivelatori non è importante, in quanto i dati raccolti verranno calibrati contro una fonte nota nel corso dell'esperimento.
9. atmosfera di elio Separate HIREXSR dal vuoto tokamak installando una finestra 0,001 "di spessore e 4" di diametro berillio. Vedere la Figura 13 per il suo layout.
10. Installare una valvola 10 "porta tra la finestra e del reattore per evitare la caduta della finestra di berillio.
    1. Si noti che la saracinesca dovesse chiudersi quando la pressione locale supera 10 mTorr per evitare danni sia alla spettrometro e il tokamak.
11. Fare riferimento alla Figura 6 e Figura 15 per una vista dall'alto verso il basso e laterale, rispettivamente, HIREXSR e Alcator C-Mod, insieme a distanze relative dei rivelatori e cristalli, e tra spettrometro e tokamak.

1. Fare riferimento alle relative opere pubblicate per i dettagli e le specifiche sulla costruzione del laser dell'apparecchio ¹⁰ blow-off.
2. Per iniettare il calcio, prendere un 2 micron CaF ₂ diapositiva con 100 A di cromo (per facilitare l'assorbimento del laser nel materiale) e posizionare il vetrino nel sistema blow-off laser. Dato che questo richiede l'accesso al reattore C-Mod, farlo prima le operazioni di inizio per la giornata.
3. Cambia al canale 14 sul sistema di TV via cavo a circuito chiuso di Alcator C-Mod per visualizzare una telecamera in bianco e nero CCD che guarda la diapositiva. Lo spot laser a diodo 633 nm dovrebbe essere visibile sulla diapositiva.

4. Esecuzione di un esperimento al plasma

1. All'inizio del giorno di esecuzione, avviare lo script che raccoglierà e salvare i dati provenienti dai rivelatori di conteggio dei pixel a raggi X per ogni corsa sperimentale, o "colpo". Questo dipenderà dalla specifica configurazione rilevatore in place. Le misure specifiche per HIREXSR sono presentati qui.
   1. Da una stazione di lavoro nella sala di controllo C-Mod, aprire un terminale a riga di comando.
   2. Collegare ad un rivelatore a distanza inserendo "ssh -X det @ dec0xx", dove xx varia 07-10.
   3. Modificare le directory inserendo "cd p2_1mod"
   4. Eseguire il comando "runtvx". Si aprirà una finestra che si valanghe con il testo.
   5. Una volta che il testo si interrompe, premere Invio due volte. Lo script di avvio imposterà il frame rate a 50 Hz e l'energia di soglia di ~ 2 keV. Un'altra valanga di testo accadrà e rivelatori inizierà calibrazione.
   6. Attendere fino a quando tutto questo finisce, e introdurre "exit" nella finestra.
   7. Ripetere l'operazione per ogni rivelatore 07-10.
2. Durante il giorno, mantenere un'atmosfera di elio in HIREXSR leggermente sopra la temperatura ambiente pompando continuamente il gas nel contenitore per la durata dell'operazione. Questo riduce atmosferica atten raggi Xsitua- ed espansione termica del cristallo.
3. Collaborare con staff tecnico in loco per garantire che il plasma raggiunge i parametri del plasma desiderati durante il tiro imminente. Se i parametri sono a cambiare da un'inquadratura all'altra, comunicarlo al personale di ingegneria tra ogni scatto.
   1. Inoltre, a volte durante il giorno di esecuzione, richiedere un colpo "modo bloccato" da parte del personale di ingegneria per la calibrazione dei dati presi quel giorno. Vedere Reinke et al. 2012 ¹ per una spiegazione dei modi bloccati e come essi vengono utilizzati per la calibrazione.
4. Per gli studi di trasporto perturbativi: prima di ogni scatto, il programma il sistema blow-off laser per iniettare la concentrazione desiderata di impurità non-riciclaggio (CaF _2, Sc, etc.) nel plasma, a volte desiderati.
   1. Stabilire una dimensione spot laser, che controlla la quantità di materiale ablated dalla diapositiva. Dalla esperienza operativa a Alcator C-Mod, circa il 10% del compagno ablatorial rende nel nucleo di plasma durante il funzionamento a bassa potenza ^10. formati di punto tipici variano 0,5-3,5 mm.
   2. Determinare i tempi di blow-off desiderati, tenendo presente la velocità massima di funzionamento 10 Hz.
   3. Inserire la dimensione del punto desiderato e tempi per la GUI di controllo del sistema blow-off laser. Ad esempio, lo studio trasporto Rice et al. 2013 ¹¹ variato i formati di punto da 0.5 a 3,5 mm e aveva iniezioni ogni 300 msec.
5. Per tutti gli studi: Impostare la valvola del gas di argon soffio nel plasma 0,3 secondi dopo il plasma inizia. Il soffio dovrebbe durare circa 0,1 sec e aumentare la densità di argon a circa 10 ^-4 volte la densità di elettroni.
6. Utilizzare dwscope per visualizzare i dati di diagnostica in tempo reale durante il giorno di esecuzione per i sistemi che utilizzano MDSplus, come C-Mod.
   1. Da una stazione di lavoro nella sala di controllo tokamak, dwscope aperta dal menu dell'applicazione
   2. Ottenere uno o più file di portata con diagnostica rilevanti indicati da another utente, o crearne di personalizzate utilizzando il MDSplus Albero Command Language (avanzato).
   3. Fai clic su "Personalizzare | Usa impostazioni salvate da ..." e selezionare un file ambito per caricarlo. Un esempio di applicazione utile, plasma_n_rot_z.dat, è mostrato con la GUI dwscope in Figura 16.
   4. Lasciare la casella di testo nella barra inferiore vuoto e dati saranno caricati dal colpo più recente.
   5. Se lo si desidera, immettere un numero di colpo e fare clic su "Applica" per caricare i dati da un colpo preciso.
7. Informare gli operatori di ingegneria che tutti i preparativi per il colpo imminente sono completi e che essi possono procedere per accendere il plasma.
8. Attendere per gli operatori per avviare il plasma e per esso alla fine. In Alcator C-Mod, il processo di iniziazione avrà una durata di circa 3 minuti e il plasma brucerà per meno di 10 secondi.
   1. Se si utilizza il sistema blow-off laser, confermare visivamente l'ablazione di scorrimento tramite la telecamera della slitta (vedi capitolo 3).
   Attendere che il tokamak si raffreddi al fine di procedere al prossimo colpo. In Alcator C-Mod, questo processo durerà 10-15 min.
   1. Utilizzare questo tempo per apportare modifiche al set up sperimentale e di comunicarle agli operatori in modo che possano essere applicate in seguito, se lo si desidera.
9. Si noti che se si desiderano eventuali modifiche all'hardware, i ricercatori dovrebbero richiedere un "accesso cellula" agli operatori, durante il quale si aprirà il tokamak e disinserire le altre caratteristiche di sicurezza per consentire alle persone di entrare i dintorni di Alcator C-Mod. In caso contrario, è disponibile l'accesso illimitato, prima e dopo il giorno di esecuzione. Hardhats devono sempre essere indossati quando si lavora nei pressi del reattore.
10. Utilizzare dwscope come prima di rivedere qualsiasi diagnostica del plasma desiderato dopo il giorno di esecuzione ha concluso.
    1. Si noti che i dati possono anche essere di programmazione accessibili attraverso varie API MDSplus per le diverse lingue.

5. Calibrazione diHIREXSR dati Modalità bloccato con THACO

1. Uso Il HIREXSR analisi del codice (THACO) per invertire i dati HIREXSR, che è la linea-integrato ^12. Riferimento e ripartizione dettagliata per tutti questi passaggi si possono trovare online nel manuale THACO inedito sul MIT Plasma Science e Fusion Center (PSFC) biblioteca online. In questa sezione vengono prima configurazione e l'avvio di THACO, seguito dal processo di calibrazione.
2. Seguire le istruzioni riportate nella pagina wiki Alcator C-Mod per THACO configurare THACO per l'uso per la prima volta su una macchina connessa alla rete PSFC. Potrebbe anche essere necessario per richiedere l'accesso in scrittura all'albero SPETTROSCOPIA dall'amministratore di rete.
3. Inserire 'IDL' in una linea di comando per avviare l'interfaccia a riga di comando IDL.
4. Da IDL, inserire '@ thaco.bat' per lanciare THACO.
5. Identificare un modo bloccato da utilizzare per la calibrazione dei dati.
   1. Aprire un browser Web e accedere al giornale di bordo PSFC.
   2. Clicca il &#34; pulsante di query "personalizzato per aprire una pagina di ricerca.
   3. Nella casella di testo query personalizzata, immettere "SHOT LIKE '%%% 1yymmdd' e testo come 'modalità% bloccata%'", dove AAMMGG è l'anno / mese / giorno del giorno di esecuzione, per far apparire le voci di registro che contengono il testo bloccato modalità.
   4. Determinare il numero colpo della modalità bloccata dalle voci di registro, e prendere nota dei tempi di inizio / fine modalità bloccata.
   5. Si noti che avere una linea di base modalità bloccata non è strettamente necessario per tutte le diagnosi, come quelli che coinvolgono i rapporti linea come determinare la temperatura degli elettroni ^13, ma è altamente raccomandato in quanto l'angolo di Bragg può spostarsi di giorno in giorno a causa di reticolo cristallino espansione / contrazione ¹⁴ .
6. Nella GUI THACO, entrare in modalità di blocco numero di girato per il campo di testo "(ACTIVE) SHOT", e premere invio.
7. Premere il tasto "LANCIO W_HIREXSR_CALIB" e lanciare il widget di calibrazione.
   1. Nella finestra °a si apre, fare in modo che il campo "SHOT" contiene il numero di modalità girato bloccato, e prendere nota del numero di "modulo". Premere Invio dopo tutti i cambiamenti sono fatti per ogni campo.
   2. Fare clic sul pulsante "Carica" ​​nel terzo superiore della finestra e attendere che i dati da caricare.
   3. Fai clic su "LOAD" nel terzo centro della finestra e attendere ulteriori dati da caricare.
   4. Se i dati sono correttamente caricati e le ellissi in forma guardare bene, ripetere la fase di calibrazione con un numero diverso nel campo "modulo" (1-4), come il colpo modalità bloccata è già stato calibrato.
   5. Se tutti i moduli (1-4) sono già stati tarati, saltare il resto della calibrazione e allineamento del rivelatore passi dal momento che il colpo è già stato calibrato, e procedere direttamente alla sezione 6.
8. Iniziare il montaggio spettrale selezionando l'opzione appropriata nell'angolo in alto a destra della finestra. Solo H-like e He-Ar come e Ca spettri di unri sostenuto dalla scatola al momento.
   1. Impostare il "t1 =" e "T2 =" campi alla modalità volte di inizio / fine bloccati rispettivamente che sono menzionati nel giornale di bordo.
   2. Spostare il "FIT LOW" e "HIGH" FIT cursori fino alla regione di forma, indicato con linee bianche tratteggiate sovrapposte sullo spettro in alto a sinistra, contiene solo la regione dove le linee spettrali di interesse sono visibilmente risolti.
   3. Fare clic sul pulsante "FIT / SAVE SPETTRI" e attendere che il processo di adattamento alla fine.
   4. Una volta che il processo di adattamento è finito, ha utilizzato il dispositivo di scorrimento "SPEC" o le frecce sinistra / destra accanto ad esso nel terzo medio della GUI per ispezionare visivamente tutte le crisi spettrali.
   5. Rimuovere qualsiasi cattiva o outlier si inserisce selezionando la casella "BAD" accanto al dispositivo di scorrimento "SPEC". Fare riferimento alle opere presenti nel passo 1.3 per il confronto con gli spettri nota. Ad esempio, He-come Ca spettri sarà simile alla Figura 10.
   6. Iniziare ellisse raccordo selezionando la linea desiderata (w, x, y, z) dal terzo inferiore della GUI.
      1. Fare clic sul pulsante "ELLIPSES FIT" e attendere ellissi per essere in forma per le crisi spettrali.
      2. Spostare i "Low", "alto", e "outl" cursori fino dell'ellisse adatta visivamente corrisponde gli spettri. Le ellissi sono idonei con almeno non lineare quadrati metodo MPFIT ^15, che può essere esigente.
      3. Fare clic sul pulsante "Salva ELLIPSES" quando fatto, e ripetere il processo con la successiva linea desiderata.
      4. Quando tutte le linee sono stati in forma, cambiare il "modulo" per un modulo diverso (1-4), che non è ancora stato calibrato e premere invio, e procedere di nuovo dal punto 5.7.1.
      5. Quando tutti i moduli sono stati tarati, fare clic sul pulsante "Esci" (non la 'x') per chiudere il widget.
   7. Premere il tasto "LANCIO W_HIREXSR_DET_ALIGN" per lanciare il widget di allineamento del rivelatore. <ol>
   8. Nel campo "SHOT", inserire il numero di ripresa di un recente modalità bloccata noto che è già stato calibrato e premere invio. Prendere nota del campo "modulo".
   9. Fare clic sul pulsante "Carica" ​​e attendere che i dati da caricare.
   10. Nell'angolo in basso a sinistra, annotare tutti i valori di scorrimento nel pannello "rivelatore di posizione".
   11. Nel campo "SHOT", inserire il numero del colpo della modalità bloccata da tarare e premere invio.
   12. Fare clic sul pulsante "Carica" ​​e attendere che i dati da caricare.
   13. Inserire i valori scritte in precedenza nel pannello "rilevatore di posizione", premendo INVIO dopo ogni cambiamento.
   14. Modificare i valori nel pannello "rilevatore di posizione", sia attraverso i cursori o modificando manualmente i valori nelle caselle di testo, fino a quando tutti o la maggior parte dei residui circolari si trovano all'interno della barra verde.
   15. Modificare il campo "modulo" ad un modulo (1-4), che non è stato ancora allineate e premi ENTER. Poi procedere dal punto 5.10.1.
   16. Quando tutti i moduli sono stati allineati, fare clic sul pulsante "Esci" (non la 'x') per chiudere il widget.
   17. La calibrazione ora è fatto; procedere alla sezione 6 con il colpo modalità bloccata.

6. Analisi avanzata di dati mediante HIREXSR THACO

1. Uso Il HIREXSR analisi del codice (THACO) per invertire i dati HIREXSR, che è la linea-integrato ^11. Riferimento e ripartizione dettagliata per tutti questi passaggi si possono trovare online nel manuale THACO inedito sul MIT Plasma Science e Fusion Center (PSFC) biblioteca online. Questa sezione descrive il processo di inversione reale per visualizzare i dati del profilo.
2. Determinare il numero colpo per il colpo di interesse.
3. Dalla GUI THACO, impostare "(ACTIVE) un tiro di" campo per il numero del colpo, e premere Invio. La GUI dovrebbe riconoscere la variazione del log sul fondo.
4. Scegliere la riga spettrale di interesse, impostare il campo &# 34;. LINE "per il numero di linea di interesse per argon, questo di solito è 2 per la linea Z He-like, e 3 per la linea lya1 H-like.
   1. Fai clic su "ELENCO THACO I numeri di riga" per elencare tutti i numeri di riga disponibili.
5. Fare clic sulla scheda "BINNING" nella parte superiore della GUI.
   1. Fai clic su "CHECK THT disponibilità" per verificare la disponibilità THACO Albero (THT). La parte inferiore della GUI deve accedere tutti gli alberi THACO disponibili.
   2. Imposta il campo "nuovo albero THACO (THT) il numero" per il primo numero non elencati nella disponibilità.
   3. Fare clic sul pulsante "Crea" per creare un nuovo THT analisi in modo precedente non viene sovrascritto.
   4. Fare clic su "CHECK THT disponibilità" di nuovo per aggiornare l'elenco dei disponibili thts.
   5. Modificare il campo "THT" accanto al "(ACTIVE) un tiro di" campo per il numero di THT appena creata, e premere Invio. Il registro GUI dovrebbe riconoscere questa azione.
6. Se tHa sparato corrente non è una modalità di blocco, fare clic sulla scheda "CALIB" nella parte superiore della GUI.
   1. Cambiare la "Data di calibrazione Da Shot" per la modalità di blocco da utilizzare per calibrare i dati.
   2. Premere il pulsante "Copia" per copiare la calibrazione.
7. Fare di nuovo clic sulla scheda "BINNING".
   1. Consultare il manuale THACO per istruzioni su come effettuare Binnings personalizzati.
   2. Per copiare binning da un'analisi precedente, inserire il tiro / THT nei loro rispettivi campi (premendo INVIO dopo ogni cambio) nel pannello con il tasto "COPIA".
   3. Copiare il binning: Selezionare "FILIALE A" e fare clic su "COPIA", quindi selezionare "RAMO B" e fare clic su "COPIA" di nuovo.
8. Fare clic sulla scheda "Profili" nella parte superiore della GUI.
   1. Consultare il manuale THACO per le istruzioni su come utilizzare le funzioni avanzate presenti in questa sezione.
   2. In caso contrario, digitare il colpo / THT froma l'analisi precedente nei loro rispettivi campi (premendo INVIO dopo ogni cambio) nel pannello superiore.
   3. Fare clic sul pulsante "Carica RHO", seguito dal tasto "LOAD buono".
9. Fare clic sul pulsante "RUN THACO", e THACO inizierà il processo di inversione. Questa operazione potrebbe richiedere un paio di minuti.
10. Notare che THACO è in realtà sta attraverso una serie di fasi indipendenti durante questo processo: esecuzione di una misura multi-gaussiana sugli spettri per calcolare momenti di varie linee, utilizzando quei momenti per calcolare i dati del profilo di linea integrato, quindi invertendo la linea dati integrata attraverso un metodo dei minimi quadrati. uscite intermedie da questi passi, utili per la risoluzione dei problemi, si possono trovare nei momenti e profili widget. Gli utenti interessati sono incoraggiati a guardare attraverso il manuale di THACO per ulteriori informazioni su questi passaggi e come utilizzare questi widget per un controllo più dettagliato sul processo di inversione.
11. Una volta che le Fini processo di inversioneshes, dai "profili" scatto "la linguetta LAUNCH_W_HIREXSR_PROFILES" visivamente ispezionare i profili.
    1. Premere il pulsante "Carica" ​​nel pannello "Albero di I / O" in basso e attendere che i dati da caricare.
    2. Se il processo automatizzato non riesce, trovare "DO inversioni di" e fare clic su "ALL" per rifare rapidamente tutte le inversioni.
    3. controllare manualmente i profili invertiti a destra utilizzando il cursore "TIME" in basso per cambiare fotogrammi.
    4. Se ci sono profili invertiti che sembrano essere sbagliato (ad esempio, temperature negative, gradienti non fisiche verso il bordo, ecc), utilizzare i pulsanti - / + accanto a "CH #" per selezionare i canali di valori anomali sulla sinistra, e deselezionare la opzione "GOOD" per rimuoverli dal punto di inversione.
       1. Si noti che le emissioni tendono ad essere più debole verso il bordo in modo incertezza è superiore; Tuttavia, la temperatura capovolta può ancora andare in un piccolo (non necessariamente) zvalore ero al limite.
    5. Trova "DO inversioni di" e fare clic su "corrente" per invertire il profilo per il frame corrente. Ripetere la rimozione di valori anomali fino a quando il profilo invertito sembra corretto.
    6. Premere il tasto "SAVE" dopo che i dati sembra soddisfacente.
    7. Utilizzare il widget di profili di ispezionare i dati.
12. Se lo si desidera, fare clic su "LANCIO W_HIREXSR_COMPARE" nella scheda "Confronta" per confrontare i profili costruiti da diverse linee spettrali. Uno scenario comune in cui questo è utile è quando la temperatura interna del plasma diventa abbastanza caldo per argon emissione H-come a superare l'emissione He-like.
13. Si noti che i dati possono anche essere di programmazione accessibili attraverso varie API MDSplus per le diverse lingue. Fare riferimento al manuale THACO per i percorsi relativi.

Representative Results

Un campione di dati rappresentativi dal rivelatore a pixel per un bin tempo per lo spettro argon He-come è mostrato in Figura 17. Le linee spettrali, piegate in una forma ellittica dal cristallo sferica, sono chiaramente visibili. Il rivelatore superiore ha un pannello rilevatore di rotta, e ci sono alcuni pixel morti sparsi per tutti i rivelatori. I dati del pannello rilevatore di rotta dovrebbe essere ignorato. Fette dal rivelatore che mostra spettri misurati e risultati del raccordo spectral svolto da THACO su un singolo accordo sono mostrati in Figura 18 e Figura 19. I dati profilo di linea integrato risultante è mostrato in Figura 20.

Un esempio di temperatura del plasma invertita e profilo di velocità toroidale creato da THACO dalle linee di argon He-come può essere visto in Figura 21. Le temperature misurate ionida HIREXSR d'accordo con la diagnostica indipendenti in altri canali di misura ^1. Utilizzando argon, un'impurità riciclaggio, permette ai profili di ioni da misurare sull'intera evoluzione del plasma. Questo è fondamentale per studi di trasporto come in Rice et al. 2013 ^11, che evoluzione studio plasma nel corso scale di tempo più lungo del tempo impurezza parto. Se i sensori sono stati posizionati invece per misurare un'impurità transitoria, come calcio, HIREXSR fornirebbe dati del profilo transitori. Vedere Howard et al. 2011 ¹⁰ di tale studio.

Figura 1. Illustrazione di Bragg riflessione. Raggi in arrivo rifletteranno e costruttivo interferire in base al loro angolo di incidenza e lunghezza d'onda. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2. Un dondolo curva per un cristallo Calcite. La curva nera è la soluzione migliore per i dati osservati, mentre la linea tratteggiata rappresenta il caso idealizzato dove non c'è assorbimento.

Figura 3. Un Johann spettrometro con cristallo Bent. Raggi entranti incidente sulla stessa posizione sulla circonferenza del cerchio hanno lo stesso angolo di incidenza sul cristallo e finiscono nella stessa posizione sul rivelatore. Prego qui per visualizzare un grande versione di questa figura.

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Figura 4. Johann Spectrometer con una sferica Bent cristallo. La flessione sferica del cristallo permette una risoluzione spaziale lungo il piano meridionale, in modo da spettri vengono catturati lungo molteplici accordi di line-mediato attraverso il plasma. Cliccate qui per vedere una versione più grande questa figura.

Figura 5. L'allineamento rivelatore di cristallo utilizzato in HIREXSR. In HIREXSR, il rivelatore è inclinata leggermente dal disposizione standard per consentire una più ampia gamma di lunghezze d'onda da misurare. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6. Top-down CAD ​​Vista HIREXSR. Questo disegno CAD mostra le posizioni relative dei due insiemi di rivelatori e il cristallo spettrometro per la camera da vuoto tokamak, che contiene il plasma. Il sightline dello spettrometro è angolato leggermente fuori asse per consentire la rotazione toroidale da misurare tramite lo spostamento Doppler.

Figura 7. Disposizione del sistema ottico. Questa figura mostra la disposizione del sistema ottico per il sistema blow-off laser da Howard et al. ^10.

Figura 8. Abbondanza frazionale carica di Stato per vari gas nobili. Questo grafico mostra le abbondanze stato di carica frazionariaper vari gas nobili in equilibrio coronale. Stati completamente spogliati sono in mostrati con linee continue, H-come con tratteggiata, He-come con trattino-punto e Ne-like con il precipitare-dot-dot. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 9. Ca ^{18 +} k / w rapporti di luminosità. Il rapporto di luminosità accordo-media misurata del k satellitare dielectronic alla linea di risonanza w in He-come Ca ¹⁸⁺ (punti rossi) rispetto alla curva teorica (linea verde).

Figura 10. Misurato He-come Ca ¹⁸⁺ Spectrum. La misura ha come Ca ¹⁸⁺ (w, x, y, z) spettro con satelli TES (più importante '4', '3', q, r e k) è indicato dai punti. Uno spettro sintetico calcolato con la modellazione collisione radiativo indicato dalla linea continua.

Figura 11. Misurato H-come Ar ¹⁷⁺ Spectrum. Lo spettro misurato della _α doppietto Ar ¹⁷⁺ Ly e satelliti nelle vicinanze (punti verdi), con lo spettro sintetico (linea rossa). Si noti la sovrapposizione tra la linea Mo ³²⁺ e la linea _α2 Ly.

Figura 12. Misurato He-Ar come ¹⁶⁺ Spectrum. Misurato spettri a raggi X in prossimità della Ar ¹⁶⁺ w linee di risonanza. Si noti la scala logaritmica.

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Figura 13. Vista interna mostrando Cristalli e Be finestra. La finestra di berillio (a) e cristalli (b) vengono visualizzati come visto dall'interno della custodia. La finestra Essere è etichettato con il verde, il cristallo sferico con rosso, e il cristallo rettangolare con viola.

Figura 14. Vista interna Mostrando rivelatori. La matrice di tre rivelatore per spettri He-come è mostrato a sinistra in (a), e per H-come spettri è mostrata a destra in (b). I tre rivelatori utilizzati per gli spettri He-come permettono la cattura di spettri dal nucleo e il bordo del plasma simultaneamente.

Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 16. Esempio Vista dwscope. Questa figura mostra uno screenshot di una istanza di dwscope. Line di dati integrata da HIREXSR è evidenziato dal riquadro rosso. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 17. Esempio di uscita del rivelatore. Questa figura mostra esempi di dati grezzi raccolti dal detectors oltre un unico bidone tempo per He-simile (in alto, al centro) e H-come spettri (in basso) argon. L'asse Y corrisponde alla lunghezza d'onda, e l'asse x all'angolo meridionale. Le linee spettrali, piegato in una forma ellittica dal cristallo sferica, sono chiaramente visibili. La parte superiore (1x guadagno) e inferiore (2x guadagno) spettri sono dal nucleo, e lo spettro di mezzo (8x guadagno) è dal bordo. Le linee verdi tratteggiate separano le diverse regioni per il codice montaggio spettrale. Il rivelatore superiore ha un pannello rilevatore di rotta, e ci sono alcuni pixel morti sparsi per tutti i rivelatori. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 18. Esempio Raccolta H-come Spectra. Misurata la luminosità line-una media di oltre lo spettro argon H-come per unsolo accordo e ora bin (top, bianco), corrispondente ad una singola colonna di pixel del rivelatore inferiore nella Figura 17. La background rimosso è mostrato in verde, e una misura multi-gaussiana è mostrato in ciano. Lo spettro totale composito misura è indicata dalla linea rossa, ei residui sono in figura inferiore. Si noti l'accordo con la Figura 11.

Figura 19. Esempio Raccolta He-come Spectra. Misurato luminosità line-media sulla spettro argon He-simile per una singola corda e ora bin (top, bianco), corrispondente ad una singola colonna di pixel nel rivelatore alto nella Figura 17. Lo sfondo rimosso viene mostrato in verde, e una misura multi-gaussiana è mostrato in ciano. Lo spettro totale composito misura è indicata dalla linea rossa, ei residui sono in figura inferiore.

Figura 20. Esempio Profilo Portata integrato. Questa figura mostra un esempio dei dati di linea integrato generati da THACO dai risultati del raccordo linea. Ha bisogno di essere tomograficamente invertita di restituire il profilo completo.

Figura 21. Esempio invertito profili plasmatici. Questa figura mostra i dati di esempio che è stato invertito da THACO per la produzione di profili di rotazione toroidali la temperatura e. HIREXSR consente sia la risoluzione spaziale (lungo l'asse y) e risoluzione temporale (lungo l'asse x). Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Tipo sensore	Polarizzati inversamente serie di diodi al silicio
Spessore Sensore	320 micron
Pixel Size	172 micron × 172 micron
Formato	487 × 195 = 94,965 pixel
La zona	83,8 millimetri × 33,5 mm
Gamma dinamica	20 bit (1: 1.048.576)
Frequenza di conteggio Per Pixel	> 2 × 10 6 raggi X / sec
intervallo di energia	3-30 keV
Risoluzione Energy	~ 500 keV
Threshold Range regolabile	2-20 keV
Lettura Tempo	2.7 msec
Frame rate massimo	300 Hz
Point Spread Function	1 pixel
T esternorigger / cancello	5 V TTL
Consumo di energia	15 W
Dimensioni	275 × 146 × 85 millimetri
Peso	1 kg

Tabella 1. Detector Specifiche. In questa tabella specifiche liste rivelatore rilevanti per la progettazione di HIREXSR.

Discussion

I dati generati da questa tecnica possono essere utilizzati in un'ampia varietà di studi sperimentali. temperatura Ion e profili di velocità toroidali possono essere utilizzati in una vasta gamma di studi di trasporto, compresa intrinseca rotazione del plasma auto-generato ed effetti perturbativi non locali. Misurare spettri di impurità iniettato attraverso laser blow-off può anche fornire informazioni importanti sul trasporto di impurità nel plasma, come è stato fatto a Howard et al. 2011 ^10. In questo momento, nessun altro al plasma diagnostici in grado di fornire il tempo e risolta spazialmente i dati del profilo di ioni dal nucleo di plasma ^1, rendendo a raggi X di imaging spettroscopia un nuovo metodo per sondare il comportamento del plasma.

La fase più critica nel protocollo è l'identificazione delle righe spettrali nella regione di lunghezze d'onda di interesse. È importante che le linee osservati sono forti per fornire buone statistiche di conteggio, e risolti sia tra loro e othelinee satellitari r. La forza relativa di queste linee può cambiare drasticamente con temperature diverse, e processi quantistici come la ricombinazione dielettrica può avere effetti misurabili.

Se le linee spettrali sono deboli, può essere possibile migliorare la loro forza introducendo altri dell'impurezza misurata. Se una diversa gamma di lunghezze d'onda è di interesse, i rivelatori devono semplicemente essere spostati lungo il cerchio Rowland, finché l'angolo di Bragg è ancora tra maggiore di 45 ° per evitare raggi divergenti e meno di 80 ° per evitare interferenze tra entrata e fotoni riflessi. Il frame rate dei rivelatori può essere modificata per essere più veloce o più lento. Il rivelatore non conta fotoni durante il tempo di lettura, quindi la frazione di fotoni catturati aumenta con telai più lunghi, consentendo migliori statistiche nei dati ottenuti.

L'interfaccia Spettrometro-reattore dovrebbe essere a tenuta per 10 ^-9 std cc /sec e capace di sostenere una pressione differenziale di 1 atm su entrambi i lati. La finestra di berillio è la scelta ideale per questa interfaccia grazie alla sua alta resistenza e buon coefficiente di trasmissione di raggi X, che è circa il 40% per radiografie 3.1 keV. L'atmosfera di elio mantenuto entro l'alloggiamento di HIREXSR per ridurre l'attenuazione dei raggi X per circa ~ 1% dei raggi entranti. Il pompaggio costante assicura che l'aria non perde nel corpo e contaminando l'atmosfera locale. Questi sistemi dovrebbero essere controllate per le perdite al fine di garantire i raggi X rendono ai rivelatori.

Una camera a vuoto sarebbe l'alloggiamento ideale per lo spettrometro. Tuttavia, tale camera è molto costoso e poco pratico da mantenere per uno spettrometro così grande. miglioramenti futuri potrebbero concentrarsi sull'utilizzo di nuove tecniche o innovazioni recenti per creare un'interfaccia spettrometro di reattore e l'atmosfera locale, che riduce al minimo l'assorbimento di raggi X, o tentare di fare i disegni attuali o simili più economici e More praticabile.

La tecnica è limitata dai requisiti di temperatura, come il plasma deve essere sufficiente per ionizzare l'impurezza di interesse caldo, ma abbastanza fresco per consentire la ricombinazione. Inoltre, H-simili e He-come stati di ionizzazione sono preferiti poiché i loro spettri sono molto più semplice e più facile da caratterizzare. Questo significa che è difficile ottenere i dati dal bordo raffreddamento del plasma, e può richiedere riconfigurazione fisica della macchina per ottenere dati utili dal plasma attraverso l'intervallo di temperatura del tokamak. Inoltre, la tecnica è alquanto limitata dalla necessità di eseguire scatti calibrazione dovuta alla dilatazione termica del cristallo spettrometro. Questo potrebbe essere migliorato in futuro con migliori controlli di temperatura sul cristallo, o altre tecniche di calibrazione innovative.

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