Engineering

La aplicación de rayos X de imagen Crystal Espectroscopía para su uso como un plasma de alta temperatura de diagnóstico

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

Los espectros de rayos X proporcionan una gran cantidad de información sobre los plasmas de alta temperatura. Este manuscrito presenta el funcionamiento de una longitud de onda de la formación de imágenes de alta resolución espacial espectrómetro de rayos X se utiliza para ver los iones por hidrógeno y helio-como de los elementos de número atómico medio de un plasma tokamak.

Abstract

Los espectros de rayos X proporcionan una gran cantidad de información sobre los plasmas de alta temperatura; por ejemplo, la temperatura y la densidad de electrones se puede deducir de las relaciones de intensidad de línea. Mediante el uso de un espectrómetro de Johann ver el plasma, es posible construir perfiles de los parámetros del plasma tales como la densidad, la temperatura, y la velocidad con buena resolución espacial y el tiempo. Sin embargo, la evaluación comparativa de modelado código atómica de los espectros de rayos X obtenido a partir de plasmas de laboratorio bien diagnosticados-es importante para justificar el uso de tales espectros para determinar los parámetros del plasma cuando otros diagnósticos independientes no están disponibles. Este manuscrito presenta el funcionamiento del Espectrómetro de Imágenes de cristal de rayos X de alta resolución con una resolución espacial (HIREXSR), una longitud de onda de alta resolución obtención de imágenes espacialmente espectrómetro de rayos X se utiliza para ver los iones de hidrógeno y helio-como de los elementos de número atómico medio de un tokamak plasma. Además, este manuscrito cubre un sistema de expulsión láser que puede introducir dichos ionesal plasma en el momento preciso para permitir estudios perturbativos de transporte en el plasma.

Introduction

HIREXSR se implementa en Alcator C-Mod, un dispositivo de fusión tokamak con un radio mayor y menor de 0,67 m y 0,22 m respectivamente. Por lo general opera con plasmas de deuterio duradera ~ 2 segundos con densidades medias entre 0,2 a 8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 3. En estas condiciones, el soporte a elementos de impurezas de alto Z vuelto altamente ionizado y irradian en el rango de rayos X, que HIREXSR medidas. Evaluación comparativa de modelado código atómica de los espectros de rayos X obtenido a partir de plasmas de laboratorio bien diagnosticados-es importante para justificar el uso de tales espectros para determinar los parámetros del plasma cuando otros diagnósticos independientes no están disponibles ^4.

Cada espectrómetro está construido para su uso deseado. De acuerdo con ello, una descripción general sobre la máquina y sus conceptos relacionados es necesario comprender plenamente estas poderosas herramientas ^5. Bragg reflexión se produce cuando un fotón se refleja en las capas adyacentes de un cristal y se desplaza una distancia que es un múltiplo de su longitud de onda. La figura 1 representa este fenómeno. Esta condición se expresa por la ecuación nλ = 2 d pecado θ _b, donde n es el orden de rereflexión, λ es la longitud de onda del fotón, d es la separación entre capas adyacentes del cristal y θ _b es el ángulo de Bragg. Una correspondencia uno a uno entre λ y θ _b indica que todos los fotones en un punto concreto del recorrido plano del detector con la misma longitud de onda. En la práctica, sin embargo, de absorción y de precisión limitaciones se manifiestan como una desviación del ángulo de Bragg. Esto da como resultado sólo una pequeña gama de ángulos que producen interferencia constructiva significativa, representado por una curva de oscilación ^6. La figura 2 es una curva de ejemplo para un cristal de calcita.

HIREXSR es un espectrómetro de Johann con un cristal esférica curvada ^7. Antes de describir este tipo de dispositivo, una discusión de un espectrómetro simple, circular es apropiado. Esta puesta en marcha consiste en un cristal curvada que refleja los fotones entrantes en sus respectivos ángulos de Bragg deWards una matriz de detectores de recuento de fotones de rayos X de píxeles individuales. El cristal y el detector ponen tangente al círculo Rowland, como se muestra en la Figura 3. El diámetro del círculo Rowland es igual al radio de curvatura del cristal. Todos los rayos de un punto dado en la circunferencia a cualquier punto en el cristal tienen el mismo ángulo de incidencia con respecto al propio cristal.

. En el caso de HIREXSR, una resolución espacial permisos de cristal esférica curvada en el plano meridional, que se ilustra en la Figura 4 se define La meridional foco f _m como: _m f = R _c pecado θ _b, donde R _c es el radio de curvatura de el cristal. El enfoque sagital f _s se define como: _Fs = - f _m / cos 2 θ _b. Se da la resolución espacial del espectrómetro Δ xpor: Ecuación , Donde L _cp es la distancia entre el cristal y el plasma, y d es la altura del cristal. Debido a que el espaciamiento de 2 dimensiones de las capas de cristal es discreta, esto debe tenerse en cuenta al elegir un material. Puesto que las superficies son planas detector, que sólo pueden ser tangente al círculo de Rowland en un punto, que por lo tanto da lugar a un error ya que los rayos detectados no son de aterrizaje precisamente en sus puntos correspondientes en el círculo de Rowland. Físicamente, esto se manifiesta como una falta de alineación "manchas" de fotones de energía específica en el detector. Este error se define como Johann Ecuación , Donde l es la anchura del cristal. Si el detector de pixel? X anchura _p es mucho mayor que el error de Johann, a continuación, la resolución espectral es independiente de ella. Si unare de tamaño comparable, a continuación, el error total se puede aproximar por . El poder de resolución del espectrómetro de cristal está dada por: Ecuación , dónde . En lugar de colocar la tangente detector a un punto en el círculo Rowland sin embargo, en HIREXSR el detector está en ángulo ligeramente a sacrificar la precisión para el rango espectral, como se muestra en la Figura 5. Este análisis de error se ha verificado experimentalmente y se ajusta a la expectativa ^8.

Hay dos parámetros fundamentales a tener en cuenta al diseñar un espectrómetro de Johann. En primer lugar, la gama de imagen determina lo que el espectrómetro estará observando. Para el estudio de los plasmas, es altamente deseable para ver toda su sección transversal con el fin de distinguir entre los cambios de línea causados por poloidal y Toroila rotación dal. HIREXSR está montado de manera que pueda ver todo el plasma, y se inclina ligeramente fuera del eje por ~ 8 ° (ilustrados en la figura 6) para permitir mediciones precisas toroidales. En segundo lugar, el tiempo de resolución regula el tiempo mínimo entre eventos que el espectrómetro puede grabar. Para Alcator C-Mod, valores deseables son inferiores a 20 ms, más cortos que los tiempos de confinamiento de la energía y de partículas. Los detectores de recuento de píxeles de rayos X que HIREXSR usos pueden apoyar una resolución de tiempo de 6 a 20 ms o mayor ^9. La Tabla 1 resume todas las especificaciones del módulo.

Para los estudios de plasma perturbativos, el sistema de soplado láser en Alcator C-Mod son utilizados para entregar varias ablaciones en el momento preciso ^10. El láser es un láser de Nd: YAG (neodimio dopado con itrio aluminio granate) que operan a velocidades de hasta 10 Hz. El láser es incidente en un tren óptico de control remoto, como se muestra en la Figura 7 que se centra y novillosel haz a la ubicación deseada en la diapositiva. tamaños de punto del láser deben ser controladas de modo que la inyección no se perturbe el plasma. Una lente convergente de distancia focal larga (1146 mm) se traslada a lo largo del eje óptico a través de una etapa lineal controlado a distancia para permitir tamaños de punto ablación a varían de ~ 0,5 a 7 mm. orientación de haz rápida se logra a través de un espejo piezoeléctrico 2D. Este sistema piezoeléctrico está montado en un espejo RS232 impulsado montaje capaz. Además del láser de Nd: YAG, un láser de diodo 633 nm se utiliza para indicar la ubicación de la viga principal (infrarrojo). Las vigas están hechas para ser colineal a través de la primera espejo.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. La elección de las líneas espectrales adecuadas

Elija las líneas de emisión correspondientes que determinarán la calidad de los datos obtenidos. La Figura 8 muestra qué líneas de emisión de gases nobles serán relevantes en diferentes valores para la temperatura de los electrones.
1. Tenga en cuenta que las relaciones de estado de ionización y de la línea se determinan por la competencia de ionización, la excitación colisional, la recombinación radiativa y recombinación dieléctrico. Estos procesos pueden variar con la temperatura y la densidad de plasma. Véase la Figura 9 para un ejemplo de esta variación.
Hacer referencia a otros trabajos publicados para las longitudes de onda y fuerza relativa de las líneas de emisión de interés. En este protocolo, utilice medianas iones de He-Z como según se caracteriza en arroz, JE et al. (2015) ^4. Vea la Figura 10 para un espectro de ejemplo.
Tenga en cuenta que es importante estudiar los satélites de líneas fuera de la serie principal, ya que coULD ser resuelto con las líneas que se están midiendo. Algunas impurezas intrínsecas (Fe, Mo, Ti, etc.) estarán siempre presentes de la estructura orientada hacia el plasma y componentes en el tokamak. Por ejemplo, la Figura 11 sugiere argón Ly _α1 es una mejor opción que la línea _α2 Ly ya que este último se superpone con una línea de molibdeno.
Para los plasmas de temperatura oscila alrededor de 0.5-3 keV, la captura de las siguientes líneas de He-como de argón (todos de n = 2 transiciones): resonancia (w, 1s ² ¹ S ₀ - 1s2p ¹ P _1), prohibidos (z, 1s ² ¹ S ₀ - 1s2p ³ S _1), y intercombination (x, 1s ² ¹ S ₀ - 1s2p ³ P ₂ e y, 1s ² ¹ S ₀ - 1s2p ³ P _1). Para argón n = 2 transiciones, el espectro H-como se encuentra entre 3,72 Å <λ <3,80 Å y la SPECTR Él parecidoum se encuentra entre 3,94 Å <λ <4,00 Å. Vea la Figura 11 y la Figura 12 para las parcelas de estos espectros.

2. Montaje del hardware HIREXSR

Consulte las obras publicadas relevantes para los detalles y datos específicos sobre el montaje y la construcción de HIREXSR ^1,2,5. Esta sección se centrará en los pasos más importantes y críticos en este procedimiento.
Monte HIREXSR en uno de los puertos con forma de pista de carreras-de Alcator C-Mod, en ángulo para permitir una vista 8 ° fuera de la diagonal.
Obtener una (102) de cristal -cuarzo circular con una separación 4,56215 Å 2D, un diámetro de 50 mm, y un radio de 1385 mm de curvatura para ver el espectro H-similares.
Obtener un rectangular (102) Cuarzo con una separación 4,56215 Å 2D, una anchura de 64 mm y una altura de 27 mm para ver el espectro de He-similares.
Inserte y monte los dos cristales dentro de la carcasa de HIREXSR mediante el acceso a la vivienda a través del espectrómetrola escotilla situada en su lado. Vea la Figura 13 para su diseño.
A través de la misma escotilla, Bolt los cuatro detectores en los soportes móviles designadas en el cuerpo del espectrómetro, reservando un detector para el espectro de H-similares, y los otros tres para el espectro de He-similares. Esta disposición se ilustra en la Figura 14.
Coloque los soportes de 125 cm de distancia de los cristales de manera que la línea desde el centro de los cristales a la de los detectores de forma un ángulo θ _b / 2 con la línea desde el centro del círculo Rowland al centro del cristal, donde θ _b es el ángulo de Bragg del centro del espectro que se mide. Ver Figura 5.
1. Tenga en cuenta que para el argón, el cristal H-como se ha usado en los resultados θ _b = 55,5 °, y el He-como cristal resultados utilizados en θ _b = 60,5 °.
Los detectores de ángulo para que coincida con eldisposición modificada ilustrada en la Figura 5.
1. Tenga en cuenta que la alineación precisa de los detectores no es importante, ya que los datos recogidos serán calibrados con una fuente conocida durante la prueba experimental.
atmósfera de helio separada de HIREXSR del vacío tokamak mediante la instalación de una ventana de 0,001 "de espesor y 4" de diámetro de berilio. Vea la Figura 13 para su trazado.
Instalar una válvula de 10 "puerta entre la ventana y el reactor para proteger contra el fallo de la ventana de berilio.
1. Tenga en cuenta que la válvula de compuerta debe cerrar cuando la presión local se eleva por encima 10 mTorr para evitar daños tanto al espectrómetro y el tokamak.
Consulte la Figura 6 y la Figura 15 para las vistas de arriba hacia abajo y lateral, respectivamente, de HIREXSR y Alcator C-Mod, junto con las distancias relativas de los detectores y cristales, y entre el espectrómetro y tokamak.

Consulte las obras publicadas relevantes para los detalles y datos específicos sobre la construcción del aparato de soplado ¹⁰ de láser.
Para inyectar calcio, tomar una diapositiva ₂ 2 micras CaF con 100 Å de cromo (para ayudar en la absorción del láser en el material) y colocar la placa en el sistema de soplado láser. Ya que esto requiere acceso al reactor C-Mod, hacer esto antes de que comiencen las operaciones para el día.
Cambiar al canal 14 en el sistema de TV por cable de circuito cerrado de Alcator C-Mod para ver una cámara CCD en blanco y negro que mira la diapositiva. El punto de láser de diodo de 633 nm debe ser visible en la diapositiva.

4. Ejecución de un experimento de plasma

Al inicio de la corrida de día, iniciar el script que va a recoger y guardar los datos de los detectores de recuento de píxeles de rayos X para cada corrida experimental, o "disparo". Esto dependerá de la configuración del detector específico en placmi. Los pasos específicos para HIREXSR se presentan aquí.
1. Desde una estación de trabajo en la sala de control C-Mod, que aparezca un terminal de línea de comandos.
2. Conectarse a un detector de forma remota mediante la introducción de "ssh -X det @ dec0xx", donde xx varía de 07-10.
3. Cambie los directorios mediante la introducción de "cd p2_1mod"
4. Ejecutar el comando "runtvx". Con ello se abre una ventana que se avalancha con el texto.
5. Una vez que el texto se detiene, pulse Enter dos veces. El script de inicio fijará la velocidad de cuadros de 50 Hz y energía umbral de ~ 2 keV. Otra avalancha de texto va a suceder y los detectores comenzará calibración.
6. Espere hasta que todo esto termina, y escriba "salida" de la ventana.
7. Repita este procedimiento para cada detector 07-10.
Durante todo el día, mantener una atmósfera de helio en HIREXSR ligeramente por encima de la temperatura ambiente bombeando continuamente el gas en la carcasa para la duración de la operación. Esto reduce atmosférica atten de rayos Xluación y la expansión térmica del cristal.
Colaborar con el personal de ingeniería en el lugar para asegurar el plasma alcanza los parámetros del plasma deseadas durante el próximo tiro. Si los parámetros son para cambiar de toma a toma, comunicarlo al personal de ingeniería entre cada disparo.
1. Además, en algún momento durante el día de ejecución, solicitar un "modo enganchado" disparo desde el personal de ingeniería para la calibración de los datos tomados ese día. Ver Reinke et al. 2012 ¹ para una explicación de los modos de bloqueo y de la forma en que se utilizan para la calibración.
Para los estudios de transporte perturbativos: Antes de cada disparo, programe el sistema de soplado de láser para inyectar la concentración deseada de impurezas no reciclado _(CaF2, Sc, etc.) en el plasma a tiempos deseados.
1. Decidir sobre un tamaño de punto de láser, que controla la cantidad de material por ablación de la diapositiva. A partir de la experiencia operativa en Alcator C-Mod, aproximadamente el 10% del compañero de ablaciónrial lo hace en el núcleo de plasma durante el funcionamiento de baja potencia ^10. tamaños de punto típicas varían de 0,5 a 3,5 mm.
2. Determinar los tiempos de expulsión deseados, teniendo en cuenta la velocidad máxima de operación de 10 Hz.
3. Introduzca el tamaño del punto deseado y tiempos para el láser de expulsión interfaz gráfica de usuario de control del sistema. Por ejemplo, el estudio de transporte por Rice et al. 2013 ¹¹ variado los tamaños de punto de 0,5 a 3,5 mm y tenía inyecciones cada 300 ms.
Para todos los estudios: Ajuste la válvula de gas de argón soplo en el 0,3 seg plasma después el plasma comienza. El soplo debe durar aproximadamente 0,1 seg y aumentar la densidad de argón a aproximadamente 10 ^-4 veces la densidad de electrones.
Utilice dwscope para ver los datos de diagnóstico en vivo durante el día de ejecución para sistemas que utilizan MDSplus, como C-MOD.
1. Desde una estación de trabajo en la sala de control tokamak, dwscope abierta desde el menú de aplicaciones
2. Obtener uno o más archivos de alcance con los diagnósticos pertinentes que se muestran a partir another usuario, o crear otros personalizados utilizando el árbol de lenguaje de comandos MDSplus (avanzado).
3. Haga clic en "Personalizar | Usar configuración salvó de ..." y seleccione un archivo alcance para cargarlo. Un ámbito de ejemplo útil, plasma_n_rot_z.dat, se muestra con el GUI dwscope en la Figura 16.
4. Deje el cuadro de texto en la barra inferior en blanco y los datos serán cargados desde la última toma.
5. Si lo desea, introduzca un número de disparo y haga clic en "Aplicar" para cargar datos de un golpe específico.
Informar a los operadores de ingeniería que todos los preparativos para el próximo disparo están completos y que pueden proceder a encender el plasma.
Espere a que los operadores para iniciar el plasma y por ello hasta el final. En Alcator C-Mod, el proceso de iniciación tendrá una duración de alrededor de 3 min y el plasma se quemará durante menos de 10 segundos.
1. Si se utiliza el sistema de expulsión de láser, confirmar visualmente la ablación de diapositivas a través de la vista de la cámara de la corredera (consulte la Sección 3).
Espere a que el tokamak se enfríe con el fin de proceder a la siguiente toma. En Alcator C-Mod, este proceso tendrá una duración de 10-15 minutos.
1. Utilizar este tiempo para realizar ningún cambio en el montaje experimental y comunicarlas a los operadores para que puedan ser aplicados posteriormente, si se desea.
Tenga en cuenta que si se desean ningún cambio en el hardware, los investigadores deben solicitar un "acceso a la celda" para los operadores, durante los cuales van a abrir el tokamak y desenganche otras características de seguridad para permitir que la gente entre en un entorno de Alcator C-MOD. De lo contrario, el acceso sin restricciones está disponible antes y después de la corrida de día. Los cascos deben ser usados siempre cuando se trabaja cerca del reactor.
Utilice dwscope como antes de revisar cualquier diagnósticos de plasma deseados después de la corrida de día ha concluido.
1. Tenga en cuenta que los datos también se puede acceder mediante programación a través de varias APIs MDSplus para diferentes idiomas.

5. Calibración deHIREXSR Bloqueado datos Modo Usando THACO

Utilice el código de Análisis HIREXSR (THACO) para invertir los datos HIREXSR, que es la línea integrada ^12. Referencia y desglose detallado de todos estos pasos se pueden encontrar en línea en el Manual de THACO inédito en la biblioteca en línea del MIT plasma Ciencia y Centro de Fusión (PSFC). Esta sección cubre la primera configuración y puesta en marcha de THACO, seguido por el proceso de calibración.
Siga las instrucciones de la página wiki Alcator C-Mod para THACO configurar THACO se utiliza por primera vez en una máquina conectada a la red PSFC. También puede ser necesario solicitar permiso de escritura en el árbol ESPECTROSCOPÍA del administrador de red.
Entre 'IDL' en una línea de comando desde el lanzamiento de la interfaz de línea de comandos de IDL.
De IDL, introduzca '@ thaco.bat' para lanzar THACO.
Identificar un modo bloqueado para ser utilizado para la calibración de los datos.
1. Abra un navegador Web y vaya a la bitácora PSFC.
2. Haga clic en el " botón de consulta "personalizada para que aparezca una página de búsqueda.
3. En el cuadro de texto de consulta personalizada, introduzca "gordo como '%%% 1yymmdd' y el texto como«% bloqueado el modo% ' ", donde yymmdd es el año / mes / día de la corrida de día, para abrir las entradas de registro que contienen el texto bloqueado modo.
4. Determinar el número de plano del modo de bloqueo de las entradas del registro, y tomar nota de los tiempos de inicio / finalización modo bloqueado.
5. Tenga en cuenta que tiene una línea de base modo bloqueado no es estrictamente necesario para todos los diagnósticos, como los que implican relaciones de línea como la determinación de la temperatura electrónica ^13, pero es muy recomendable ya que el ángulo de Bragg puede cambiar de día en día debido a la red cristalina expandir / contraer ¹⁴ .
En la GUI THACO, entrar en el modo de bloqueo disparado número para el campo de texto "(ACTIVO) SHOT", y pulse Enter.
Presione el botón "W_HIREXSR_CALIB de lanzamiento" y poner en marcha el widget de calibración.
1. En las ventanas THa aparece, asegúrese de que el campo "SHOT" contiene el número de modo de disparo bloqueado, y tomar nota del número de "módulo". Presione ENTRAR después de realizar cualquier cambio a cualquier campo.
2. Haga clic en el botón "Cargar" en el tercio superior de la ventana y esperar a que los datos sean cargados.
3. Haga clic en "LOAD" en el tercio medio de la ventana y esperar para más datos a cargar.
4. Si los datos están correctamente cargado y las elipses de ajuste se ve bien, repetir la etapa de calibración con un número diferente en el campo "MODULO" (1-4), pues el balón modo bloqueado ya ha sido calibrado.
5. Si ya se han calibrado todos los módulos (1-4), omita el resto de los pasos de calibración y alineación del detector ya que el balón ya ha sido calibrados, y proceder directamente a la Sección 6.
Comience apropiado espectral mediante la selección de la correspondiente opción en la esquina superior derecha de la ventana. Sólo H-como-como Él y Ar y Ca espectros de unare el apoyo fuera de la caja actualmente.
1. Ajuste el "t1 =" y "t2 =" Campos al modo de los tiempos de inicio / final bloqueados respectivamente que se mencionan en el libro de registro.
2. Mover el "ajuste bajo" y "alto" FIT deslizadas hasta la región de ajuste, indicado por líneas discontinuas blancas superpuestas en el espectro en la parte superior izquierda, incluye solamente la región en la que las líneas espectrales de interés se resuelven de forma visible.
3. Haga clic en el botón "FIT / SAVE SPECTRA" y esperar a que el proceso de adaptación para terminar.
4. Una vez finalizado el proceso de adaptación, se utiliza el control deslizante "SPEC" o las flechas izquierda / derecha junto a él en el tercio medio de la interfaz gráfica de usuario para inspeccionar visualmente todos los ataques espectrales.
5. Eliminar cualquier mal o errático encaja marcando la casilla de verificación "malo" junto al control deslizante "SPEC". Hacer referencia a las obras que se encuentran en el paso 1.3 para su comparación con espectros conocidos. Por ejemplo, Él-como espectros de Ca se parecerá a la Figura 10.
6. Comience elipse apropiado mediante la selección de la línea deseada (w, x, y, z) de la tercera parte inferior de la interfaz gráfica de usuario.
  1. Haga clic en el botón "ELIPSES FIT" y esperar a que las elipses estar en forma para los ataques espectrales.
  2. Mueva la "baja", "alto", y deslizadores "OUTL" hasta que la elipse encaja visualmente coincide con los espectros. Las elipses son ajuste con una no lineal de mínimos cuadrados MPFIT método ^15, que puede ser fastidioso.
  3. Haga clic en el botón "Guardar ELIPSES" cuando haya terminado, y repetir el proceso con la siguiente línea deseada.
  4. Cuando todas las líneas han estado en buena forma, cambiar el "MODULO" a un módulo diferente (1-4) que no ha sido calibrado con todo y pulse enter, y proceder de nuevo desde el paso 5.7.1.
  5. Cuando todos los módulos han sido calibrados, haga clic en el botón "Salir" (no la 'x') para cerrar el widget.
7. Presione el botón "W_HIREXSR_DET_ALIGN de lanzamiento" para poner en marcha el widget alineamiento del detector. <ol>
8. En el campo "SHOT", introduzca el número de disparo de un modo bloqueado conocido recientemente que ya ha sido calibrada y pulse enter. Tomar nota del campo "MODULO".
9. Haga clic en el botón "Cargar" y esperar a que los datos se carguen.
10. En la esquina inferior izquierda, anote todos los valores del regulador en el panel "DETECTOR DE POSICIÓN".
11. En el campo "SHOT", introduzca el número de disparo del modo de bloqueo está calibrando y pulse enter.
12. Haga clic en el botón "Cargar" y esperar a que los datos se carguen.
13. Introduzca los valores anotados anteriormente en el panel "DETECTOR DE POSICIÓN" y presione ENTRAR después de cada cambio.
14. Cambiar los valores en el panel "DETECTOR DE POSICIÓN", ya sea a través de los controles deslizantes o modificar manualmente los valores en los cuadros de texto, hasta que la totalidad o la mayor parte de los residuos circulares se encuentran dentro de la barra verde.
15. Cambie el campo "módulo" a un módulo (1-4) que no ha sido alineado todavía y pO prima entrar. A continuación, proceder desde el paso 5.10.1.
16. Cuando todos los módulos se han alineado, haga clic en el botón "Salir" (no la 'x') para cerrar el widget.
17. La calibración se realiza ahora; proceda a la Sección 6 con el balón modo bloqueado.

6. Análisis Avanzado de Datos Usando HIREXSR THACO

Utilice el código de Análisis HIREXSR (THACO) para invertir los datos HIREXSR, que es la línea integrada ^11. Referencia y desglose detallado de todos estos pasos se pueden encontrar en línea en el Manual de THACO inédito en la biblioteca en línea del MIT plasma Ciencia y Centro de Fusión (PSFC). Esta sección cubre el proceso de inversión real para ver los datos del perfil.
Determinar el número de disparo para el disparo de interés.
En la GUI THACO, establecer el "(ACTIVO) SHOT" campo para el número de disparo, y pulse Enter. La interfaz gráfica de usuario debe reconocer el cambio en el registro en la parte inferior.
Elija la línea espectral de interés, establecer el campo y# 34;. LINE "en el número de línea de interés para el argón, lo cual suele ser de 2 para la línea Z-como Él, y 3 para la línea H-lya1 similares.
1. Haga clic en "números de línea LISTA THACO" para listar todos los números de línea disponible.
Haga clic en la pestaña "BINNING" en la parte superior de la interfaz gráfica de usuario.
1. Haga clic en "COMPROBAR DISPONIBILIDAD THT" para comprobar la disponibilidad THACO árbol (THT). La parte inferior de la interfaz gráfica de usuario debe registrar todos los árboles THACO disponibles.
2. Ajustar el "Número (THT) nuevo árbol THACO" campo para el primer número que no figura en la disponibilidad.
3. Haga clic en el botón "Crear" para crear un nuevo análisis por lo anterior THT no se sobrescribe.
4. Haga clic en "COMPROBAR DISPONIBILIDAD THT" de nuevo para actualizar la lista de disponibles thts.
5. Cambie el campo "THT" junto al campo "(ACTIVO) SHOT" al número de THT de nueva creación, y pulse Enter. El registro de interfaz gráfica de usuario debe reconocer esta acción.
Si tque toma actual no es un modo de bloqueo, haga clic en la pestaña "CALIB" en la parte superior de la interfaz gráfica de usuario.
1. Cambiar el "datos de calibración de la panorámica" en el modo de bloqueo que se utiliza para calibrar los datos.
2. Presione el botón "Copiar" para copiar durante la calibración.
Haga clic en la pestaña "BINNING" de nuevo.
1. Consulte el manual de THACO para instrucciones sobre cómo hacer binnings personalizados.
2. Para copiar binning de un análisis previo, introduzca el disparo / THT en sus respectivos campos (presione ENTRAR después de cada cambio) en el panel con el botón "COPIA".
3. Copiar el binning: Seleccionar "RAMA A" y haga clic en "COPIA", a continuación, seleccione "RAMA B" y haga clic en "COPIA" de nuevo.
Haga clic en la pestaña "Perfiles" en la parte superior de la interfaz gráfica de usuario.
1. Consulte el manual de THACO para obtener instrucciones sobre cómo utilizar las funciones avanzadas presentes en esta sección.
2. De lo contrario, introduzca el disparo / THT lado a otroma análisis previo en sus respectivos campos (enter después de cada cambio) en el panel superior.
3. Haga clic en el botón "Cargar RHO", seguido por el botón "CARGA bueno".
Haga clic en el botón "RUN THACO", y THACO comenzará el proceso de inversión. Este proceso puede tardar un par de minutos.
Tenga en cuenta que THACO es en realidad va a través de una serie de pasos independientes durante este proceso: la ejecución de un ajuste multi-Gaussian en los espectros para el cálculo de los momentos de diversas líneas, utilizando esos momentos para calcular los datos de perfil de línea integrada, a continuación, invertir la línea de datos integrada a través de un método de mínimos cuadrados. Los productos intermedios de estos pasos, útiles para la resolución de problemas, se pueden encontrar en los momentos y los perfiles de los widgets. Los usuarios interesados se les anima a mirar a través del manual de THACO para obtener más información acerca de estos pasos y cómo utilizar estos controles para un control más preciso sobre el proceso de inversión.
Una vez que los Fini proceso de inversiónella es, a partir de los "perfiles" de la ficha "clic" LAUNCH_W_HIREXSR_PROFILES a inspeccionar visualmente los perfiles.
1. Pulse el botón "Cargar" en el panel "Árbol de E / S" en la parte inferior y esperar a que los datos se carguen.
2. Si el proceso automatizado falla, encontrar "DO Las inversiones de" y haga clic en "ALL" para rehacer rápidamente todas las inversiones.
3. inspeccionar manualmente los perfiles invertidos a la derecha con el control deslizante "TIME" en la parte inferior para cambiar los marcos.
4. Si hay algunos perfiles invertidos que parecen estar mal (por ejemplo, las temperaturas negativas, gradientes no físicos hacia el borde, etc.), use los botones - / + "CH #" para seleccionar los canales atípicos a la izquierda, y desactive la opción "bueno" para eliminarlos de la etapa de inversión.
  1. Tenga en cuenta que las emisiones tienden a ser más débil hacia el borde de modo incertidumbre es mayor; sin embargo, la temperatura invertida todavía debe ir a una pequeña (no necesariamente) zvalor ero en el borde.
5. Encuentra "DO Las inversiones de" y haga clic en "actual" para invertir el perfil para la trama actual. Repita la eliminación de valores atípicos hasta que el perfil invertida parece correcta.
6. Pulse el botón "Guardar" después de los datos parece satisfactoria.
7. Utilice el widget de perfiles para inspeccionar los datos.
Si lo desea, haga clic en "W_HIREXSR_COMPARE de lanzamiento" en la pestaña "comparar" para comparar los perfiles construidos a partir de diferentes líneas espectrales. Un escenario común donde esto es útil es cuando la temperatura del núcleo de plasma se calienta lo suficiente para la emisión de argón H-como para superar a la emisión de He-similares.
Tenga en cuenta que los datos también se puede acceder mediante programación a través de varias APIs MDSplus para diferentes idiomas. Consulte el manual de THACO por las sendas pertinentes.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Una muestra datos representativos del detector de píxel para una bin tiempo para el espectro de argón Él-como se muestra en la Figura 17. Las líneas espectrales, dobladas en una forma elíptica por el cristal esférico, son claramente visibles. El detector superior tiene un panel detector roto, y hay algunos píxeles muertos esparcidos por todos los detectores. Los datos del panel de detector roto debe ser ignorado. Las rebanadas del detector que muestra los espectros medidos y los resultados de la instalación espectral realizado por THACO sobre un solo acorde se muestran en la Figura 18 y la Figura 19. Los datos de perfil de línea integrada resultante se muestra en la Figura 20.

Un ejemplo de una temperatura del plasma invertida y perfil de velocidad toroidal creado por THACO de las líneas de argón de He-como se puede ver en la Figura 21. Las temperaturas de iones medidosHIREXSR de acuerdo con los diagnósticos independientes en otros canales de medición ^1. Uso de argón, una impureza de reciclaje, permite que los perfiles de iones a medir sobre toda la evolución del plasma. Esto es fundamental para los estudios de transporte, como en Rice et al. 2013 ^11, que la evolución de plasma estudio sobre escalas de tiempo más largo que el tiempo de impureza confinamiento. Si los detectores se colocan en vez de medir una impureza transitoria, tales como calcio, HIREXSR proporcionaría datos del perfil transitorios. Ver Howard et al. 2011 ¹⁰ para un estudio de este tipo.

Figura 1. Ilustración de la reflexión de Bragg. Rayos entrantes reflejarán y constructivamente interferir en función de su ángulo de incidencia y la longitud de onda. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. A de oscilación de la curva por un cristal de calcita. La curva de negro es el mejor ajuste a los datos observados, mientras que la línea de puntos es el caso idealizado donde no hay absorción.

Figura 3. Un espectrómetro de Johann con un cristal doblado. Rayos entrantes incidente en la misma ubicación en la circunferencia del círculo tienen el mismo ángulo de incidencia sobre el cristal y terminan en el mismo lugar en el detector. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

d / 54408 / 54408fig4.jpg "/>
Figura 4. Un Johann Espectrómetro con una inclinación de cristal esféricamente. La curvatura esférica del cristal permite una resolución espacial a lo largo del plano meridional, por lo que los espectros son capturados a lo largo de múltiples acordes línea promediada a través del plasma. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. La alineación detector de cristal utilizado en HIREXSR. En HIREXSR, el detector está en ángulo ligeramente de la disposición estándar para permitir un mayor rango de longitudes de onda a medir. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6. De arriba hacia abajo CAD Vista de HIREXSR. Este dibujo CAD muestra las posiciones relativas de los dos conjuntos de detectores y el cristal espectrómetro al recipiente tokamak de vacío, que contiene el plasma. La línea de visión del espectrómetro está ligeramente inclinada hacia fuera del eje para permitir la rotación toroidal que se mide a través del desplazamiento Doppler.

Figura 7. Disposición de sistema óptico. Esta figura muestra el diseño del sistema óptico para el sistema de expulsión de láser de Howard et al. ^10.

Figura 8. La abundancia fraccional de carga para el Estado Varios gases nobles. Este gráfico muestra las abundancias estado de carga fraccionadapara varios gases nobles en equilibrio coronal. Estados completamente pelados están en la muestra con líneas continuas, H-como con trazos, Él-como con rayas y puntos y Ne-como con guión-punto-punto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9. Ca ^{+ 18} k / w relaciones de brillo. La relación de brillo acorde promediada medida del satélite dielectronic k para la línea de resonancia w en Ca ^{+ 18} (puntos rojos) Él-como en comparación con la curva teórica (línea verde).

Figura 10. Medido Él-como Ca ^{+ 18} Espectro. La medida de He-como Ca ^{+ 18} (w, x, y, z) espectro con satelli tes (más prominente '4', '3', q, r y k) se muestra por los puntos. Un espectro sintético calculada con el modelado de colisiones-radiativo indicada por la línea continua.

Figura 11. Medido como H-Ar ¹⁷⁺ espectro. El espectro medido del doblete _α Ar ^{17 +} Ly y los satélites cercanos (puntos verdes), con el espectro sintético (línea roja). Tenga en cuenta la superposición entre la línea de Mo ³²⁺ y la línea _α2 Ly.

Figura 12. Medido Él-como Ar ¹⁶⁺ Spectrum. Medido espectros de rayos X en el entorno de la Ar ¹⁶⁺ w líneas de resonancia. Tenga en cuenta la escala logarítmica.

Ure 13 "src =" / files / ftp_upload / 54408 / 54408fig13.jpg "/>
Figura 13. Vista interna mostrando cristales y Sé ventana. La ventana de berilio (a) y los cristales de (b) se muestran como se ve desde dentro de la carcasa. La ventana Sea se etiqueta con el cristal esférica verde con rojo, y el cristal rectangular con púrpura.

Figura 14. Vista interna Mostrando detectores. La matriz de tres detectores de espectros Él-como se muestra a la izquierda en (a), y para H-como espectros se muestra a la derecha en (b). Los tres detectores usados para los espectros de He-como permiten la captura de espectros desde el núcleo y el borde del plasma simultáneamente.

Figura 15
Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 16. Ejemplo de Vista de dwscope. Esta figura muestra una captura de pantalla de una instancia de dwscope. Los datos integrados de línea-de HIREXSR se destaca por el cuadro rojo. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 17. Ejemplo de salida del detector. Esta figura muestra un ejemplo de los datos brutos recogidos por el dedetectores más de un solo bin tiempo para Él-como (parte superior, media) y H-como espectros (parte inferior) de argón. El eje y corresponde a la longitud de onda, y el eje x de ángulo meridional. Las líneas espectrales, doblado en una forma elíptica por el cristal esférico, son claramente visibles. La parte superior (1x ganancia) e inferior (2x ganancia) son espectros desde el núcleo, y el espectro medio (8x ganancia) es desde el borde. Las líneas de puntos verdes se separan las diferentes regiones para el código apropiado espectral. El detector superior tiene un panel detector roto, y hay algunos píxeles muertos esparcidos por todos los detectores. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 18. Ejemplo recopilada H-como Spectra. Medido brillo línea promediada sobre el espectro de argón H-como para unasolo acorde y bin tiempo (superior, blanco), que corresponde a una sola columna de píxeles en el detector de fondo en la Figura 17. El fondo eliminado se muestra en verde, y un ajuste multi-Gaussian se muestra en cian. El espectro total de compuesto ajuste se muestra por la línea roja, y los residuos se encuentran en la figura inferior. Tenga en cuenta el acuerdo con la Figura 11.

Figura 19. Ejemplo Se recogió Él-como Spectra. Medido brillo línea promediada sobre el espectro de argón de He-como por un solo acorde y bin tiempo (superior, blanco), que corresponde a una sola columna de pixels en el detector superior en la Figura 17. el fondo eliminado se muestra en verde, y un ajuste de múltiples Gauss se muestra en cian. El espectro total de compuesto ajuste se muestra por la línea roja, y los residuos se encuentran en la figura inferior.

Figura 20. Perfil integrado-Line Ejemplo. Esta figura muestra un ejemplo de los datos de línea integrada generados por THACO de los resultados de la conexión de línea. Tiene que ser invertida tomográficamente para devolver el perfil completo.

Figura 21. Ejemplo de perfiles invertidos plasma. Esta figura muestra datos de ejemplo que ha sido invertida por THACO para producir perfiles de temperatura y rotación toroidales. HIREXSR permite tanto la resolución espacial (a lo largo del eje y) y la resolución de tiempo (a lo largo del eje x). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tipo de sensor	Inversa de arreglo de diodos de silicio sesgada
sensor de grosor	320 micras
Tamaño de píxel	172 m × 172 micras
Formato	487 × 195 = 94,965 píxeles
Zona	83,8 mm x 33,5 mm
Gama dinámica	20 bits (1: 1.048.576)
Frecuencia de conteo por píxel	> 2 × 10 ⁶ rayos X / seg
Rango de energía	3-30 keV
Resolución de energía	~ 500 keV
Rango de umbral ajustable	2-20 keV
El tiempo de lectura	2,7 mseg
Velocidad máxima de fotogramas	300 Hz
Función diferencia de puntos	1 pixel
T externainstalador / puerta	5 V TTL
El consumo de energía	15 W
Dimensiones	275 × 146 × 85 mm
Peso	1 kg

Tabla 1. Especificaciones del detector. Esta tabla especificaciones del detector listas relevantes para el diseño de HIREXSR.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Los datos generados por esta técnica se pueden utilizar en una amplia variedad de estudios experimentales. temperatura Ion y perfiles de velocidad toroidal se pueden utilizar en una amplia gama de estudios de transporte, incluyendo intrínseca rotación plasma auto-generado y efectos perturbativos no locales. La medición de los espectros de impurezas inyectados a través de láser de expulsión también puede proporcionar información importante sobre el transporte de impurezas en el plasma, como se hizo en Howard et al. 2011 ^10. En este momento, no hay de diagnóstico puede proporcionar el tiempo y espacialmente resueltos datos del perfil de iones otro plasma de los núcleo de plasma ^1, por lo que la espectroscopia de imágenes de rayos X un nuevo método para sondear comportamiento del plasma.

El paso más crítico en el protocolo es la identificación de las líneas espectrales en la región de longitud de onda de interés. Es importante que las líneas que se observan son fuertes para proporcionar buenas estadísticas de conteo, y resolverse tanto entre sí y othelíneas de satélite r. La fuerza relativa de estas líneas puede cambiar dramáticamente con diferentes temperaturas, y los procesos cuánticos como recombinación dieléctrica puede tener efectos medibles.

Si las líneas espectrales son débiles, puede ser posible para mejorar su fuerza mediante la introducción de más de la impureza medido. Si un rango diferente de longitudes de onda es de interés, los detectores simplemente necesitan ser movidos a lo largo del círculo de Rowland, siempre y cuando el ángulo de Bragg es todavía entre mayor que 45 ° para evitar rayos divergentes y menos de 80 ° para evitar la interferencia entre entrante y fotones reflejados. La tasa de cuadros de los detectores también se puede cambiar para ser más rápido o más lento. El detector de fotones no cuenta durante el tiempo de lectura, por lo que la fracción de fotones capturados aumenta con marcos más largos, lo que permite mejores estadísticas en los datos obtenidos.

La interfaz espectrómetro de reactor debe ser estancas a 10 cc ^-9 std /sec y capaz de mantener una diferencia de presión de 1 atm a cada lado. La ventana de berilio es la opción ideal para esta interfaz, debido a su alta resistencia y buen coeficiente de transmisión de rayos X, que es de alrededor de 40% de 3,1 keV rayos-X. La atmósfera de helio mantenido dentro de la carcasa de HIREXSR para reducir la atenuación de rayos X a alrededor de ~ 1% de los rayos entrantes. El bombeo constante asegura que no hay escape de aire en la carcasa y la contaminación de la atmósfera local. Estos sistemas deben ser verificados por duplicado en busca de fugas para asegurar los rayos X llegan a los detectores.

Una cámara de vacío sería la carcasa ideal para el espectrómetro. Sin embargo, una cámara de este tipo es muy caro y poco práctico para mantener para un gran espectrómetro tal. Las mejoras futuras podrían centrarse en el uso de nuevas técnicas o las recientes innovaciones para crear una interfaz espectrómetro de reactor y el ambiente local que minimiza la absorción de rayos X, o intentar realizar diseños actuales o similares barato y More viable.

La técnica está limitada por sus requisitos de temperatura, ya que el plasma tiene que ser suficiente para ionizar la impureza de interés caliente, pero lo suficientemente fría como para permitir la recombinación. Además, los estados de ionización H-como-y Él como son los preferidos ya que sus espectros son mucho más simple y más fácil de caracterizar. Esto significa que es difícil obtener datos desde el borde más fría del plasma, y puede requerir reconfiguración física de la máquina para obtener datos útiles a partir de plasmas de todo el rango de temperatura del tokamak. Además, la técnica es algo limitado por la necesidad de ejecutar tiros de calibración debido a la expansión térmica del cristal espectrómetro. Esto podría ser mejorado en el futuro con mejores controles de temperatura en el cristal, u otras técnicas de calibración nuevo.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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