Tillämpa X-ray Imaging Crystal spektroskopi för användning som en hög temperatur plasma Diagnostic

Summary

X-ray spektra ger en mängd information om höga plasma temperatur. Detta manuskript presenteras driften av en hög våglängdsupplösning spatialt imaging röntgenspektrometer används för att visa väte- och heliumliknande joner av medelatomnummer element i en tokamak plasma.

Abstract

Röntgenspektra ger en mängd information om höga plasma temperatur; till exempel elektrontemperatur och densitet kan härledas från linjeintensitetsförhållanden. Genom att använda en Johann spektrometer visning plasmat, är det möjligt att konstruera profiler av plasmaparametrar såsom densitet, temperatur och hastighet med god spatial och tidsupplösning. Men det är viktigt benchmarking atom kod modellering av röntgenspektra erhållna från väl diagnosen laboratorie plasma för att motivera användningen av sådana spektra för att bestämma plasmaparametrar när andra oberoende diagnostik är inte tillgängliga. Detta manuskript presenterar driften av högupplöst röntgen Crystal Imaging Spectrometer med rumslig upplösning (HIREXSR), en hög våglängdsupplösning spatialt imaging röntgenspektrometer används för att visa väte- och helium-liknande joner av medelatomnummer inslag i en tokamak plasma. Dessutom detta manuskript omfattar en laserutblåsningssystem som kan införa sådana jonertill plasmat med exakt timing för att möjliggöra störnings studier av transport i plasman.

Introduction

Röntgenspektra ger en mängd information om höga plasma temperatur; till exempel elektrontemperatur och densitet kan härledas från linjeintensitetsförhållanden. Genom att använda en Johann spektrometer visning plasman från axeln, är det möjligt att konstruera profiler av plasmaparametrar såsom densitet, temperatur och hastighet i plasma med god spatial och tidsupplösning ^1,2. Detta manuskript presenterar driften av högupplöst röntgen Crystal Imaging Spectrometer med rumslig upplösning (HIREXSR), en hög våglängdsupplösning spatialt imaging röntgenspektrometer används för att visa väte- och helium-liknande joner av medelatomnummer inslag i en tokamak plasma.

HIREXSR utplaceras på Alcator C-Mod, en tokamak fusionsanordning med en större och mindre radie på 0,67 m och 0,22 m respektive. Den fungerar normalt med deuterium plasma varar ~ 2 sek med genomsnittliga densiteter mellan 0,2-8,0 x 10 ²⁰ m ^-3 3. Under dessa betingelser blir medelhög till hög Z föroreningselement kraftigt joniserat och utstrålar i röntgenområde, vilket HIREXSR åtgärder. Benchmarking atom kod modellering av röntgenspektra erhållna från väl diagnosen laboratorie plasma är viktig för att motivera användningen av sådana spektra för att bestämma plasmaparametrar när andra oberoende Diagnostik finns inte ^4.

Varje spektrometer är byggd för önskad användning. Följaktligen är det nödvändigt med en allmän beskrivning om maskinen och dess relaterade begrepp att fullt ut förstå dessa kraftfulla verktyg ^5. Bragg-reflektion sker när en foton reflekteras från intilliggande skikt av en kristall och färdas ett avstånd som är en multipel av dess våglängd. Figur 1 visar detta fenomen. Detta villkor uttrycks genom ekvationen nX = 2 d sin θ _b, där n är ordningen för reböjning, är λ våglängden för fotonen, d är avståndet mellan intilliggande skikt av kristallen och θ _b är Bragg-vinkeln. En 1-1 korrespondens mellan λ och θ _b indikerar att alla fotoner vid en viss punkt i detektorplanet resa med samma våglängd. I praktiken har dock, absorption och precisions begränsningar uppenbart som en avvikelse från Bragg-vinkeln. Detta resulterar i endast ett litet antal vinklar som producerar betydande konstruktiv interferens, som representeras av en gungande kurva ^6. Figur 2 är ett exempel kurva för en kalcit kristall.

HIREXSR är en Johann spektrometer med en sfäriskt böjd kristall ^7. Innan vi beskriver denna typ av anordning är lämplig en diskussion av ett enklare, cirkulärt spektrometer. Denna uppsättning upp består av en böjd kristall som reflekterar inkommande fotoner vid deras respektive Bragg vinkelWards en rad enskilda röntgendetektorer fotonräknande pixel. Kristallen och detektorn låg tangent till Rowland cirkel, som det visas i figur 3. Diametern på Rowland cirkel är lika med krökningsradien hos kristallen. Alla strålar från en given punkt på omkretsen till någon punkt på kristallen har samma infallsvinkel med avseende på själva kristallen.

. I fallet med HIREXSR, en sfäriskt böjd kristalltillstånd spatial upplösning i det meridionala planet, som visas i fig 4 Den meridionala fokus f _m är definierat som: f _m = _Rc synd θ _b, där R _^ är krökningsradien av kristallen. Sagittala fokus _fs definieras som: f _s = - f _m / cos 2 θ _b. Den rumsliga upplösningen i spektrometerns Δ x gesav: , Där L _cp är avståndet mellan kristallen och plasman, och d är höjden av kristallen. Eftersom två-dimensionella avståndet mellan kristallskikten är diskreta, måste detta tas i beaktande när man väljer ett material. Eftersom detektorytor är plana, kan de bara vara tangent till Rowland cirkel vid ett tillfälle, vilket följaktligen ger upphov till fel eftersom de detekterade strålar inte landar just på motsvarande punkter på Rowland cirkel. Fysiskt, manifesterar denna förskjutning som en "utsmetning" av fotoner av specifik energi på detektorn. Detta Johann fel definieras som , Där L är bredden av kristallen. Om detektorn pixelbredden Ax _p är mycket större än den Johann felet, då den spektrala upplösningen är oberoende av den. Om de enre av jämförbar storlek, då det totala felet kan approximeras med . Upplösningsförmågan för kristallen spektrometer ges av: , var . Istället för att placera detektor tangent till en punkt på den Rowland cirkel men i HIREXSR detektorn är vinklad något att offra noggrannhet för spektralområdet, såsom visas i figur 5. Detta fel analys har experimentellt verifierats och överensstämmer med förväntningar ^8.

Det finns två viktiga parametrar att ta hänsyn till när man utformar en Johann spektrometer. Först bestämmer bildintervall vad spektrometern kommer att observera. För att studera plasmor, är det mycket önskvärt att visa dess hela tvärsnittet för att skilja mellan linjeskift som orsakas av poloidala och toroidal rotation. HIREXSR är monterad så att den kan se hela plasma och lutas något off-axeln genom ~ 8 ° (illustrerade i figur 6) för att möjliggöra noggranna toroid mätningar. För det andra reglerar minimitiden mellan händelser som spektrometern kan registrera tidsupplösning. För Alcator C-Mod, önskvärda värden under 20 msek, kortare än energi- och partikelinneslutnings gånger. Röntgen räknepixeln detektorer som HIREXSR användningsområden kan stödja en tidsupplösning på 6 till 20 msek eller större ^9. Tabell 1 sammanfattar alla modul specifikationer.

För störningsplasma studier, är lasern blåsa-off system på Alcator C-Mod används för att leverera flera ablationer med exakt timing ^10. Lasern är en Nd: YAG (neodymium-dopad yttrium aluminium granat) som arbetar vid upp till 10 Hz. Lasern infaller på en fjärrstyrd optisk tåg, såsom visas i figur 7, som fokuserar och stutarstrålen till önskad plats på objektglaset. Punktstorlekar hos lasern måste kontrolleras så att injektionen inte stör den plasma. En lång brännvidd (1146 mm) konvergerande linsen translateras längs den optiska axeln via en fjärrstyrd linjärt steg för att tillåta tyreoidektomerade punktstorlekar för att variera från -0,5 till 7 mm. Snabb strålstyrning uppnås via en 2D piezoelektrisk spegel. Denna piezoelektriska systemet är monterad på en RS232 driven spegel montera kapabel. Förutom Nd: YAG-laser, är en 633 nm diodlaser används för att ange läget för den huvudsakliga (infraröd) strålen. Balkarna är gjorda för att kolinjär genom den första spegeln.

Protocol

1. välja lämpliga spektrallinjer

1. Välj lämpliga emissionslinjer som kommer att avgöra kvaliteten på erhållna data. Figur 8 visar vilka ädla utsläpp linjer kommer vara relevanta vid olika värden för elektrontemperatur.
   1. Observera att jonisering statliga och linjeförhållanden bestäms av konkurrensen från jonisering, kollisionsexcitering, strålnings rekombination och dielektriska rekombination. Dessa processer kan variera med plasmatemperaturen och densitet. Se Figur 9 för ett exempel av denna variation.
2. Hänvisa till andra publicerade arbeten för våglängder och relativa styrkor emissionslinjer av intresse. I detta protokoll använder medel Z Han-liknande joner som kännetecknas i Rice, JE et al. (2015) ^4. Se figur 10 för ett exempel spektrum.
3. Observera att det är viktigt att studera satelliter från linjer utanför den huvudsakliga serien, eftersom de samaruld vara olöst med de linjer som håller på att mätas. Vissa inneboende föroreningar (Fe, Mo, ​​Ti, etc.) kommer alltid att vara närvarande från plasma vänd struktur och komponenter i tokamak. Till exempel föreslår Figur 11 argon Ly _α1 är ett bättre val än Ly _α2 linje eftersom den senare överlappar med en molybden linje.
4. För plasma i temperaturintervall runt 0,5-3 keV, fånga följande Han liknande linjer för argon (alla från n = 2 övergångar): resonans (w, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ^en P _1), förbjudna (z, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ S _1), och intercombination (x, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P ₂ och y, 1s ^{2 1} S ₀ - 1s2p ³ P _1). För argon n = 2 övergångar, ligger H-liknande spektrum mellan 3,72 Å <λ <3,80 Å och Han-liknande Spectrum ligger mellan 3,94 Å <λ <4,00 Å. Se figur 11 och figur 12 för tomter av dessa spektra.

2. Montering av HIREXSR Hårdvara

1. Hänvisa till de relevanta publicerade arbeten för detaljer och detaljerna om montering och bygga HIREXSR ^1,2,5. Detta avsnitt kommer att fokusera på de viktigaste och mest kritiska steg i detta förfarande.
2. Mount HIREXSR på en av tävlingsbanan formade hamnar Alcator C-Mod, vinklad för att möjliggöra en 8 ° off-diagonal vy.
3. Skaffa en cirkulär (102) -quartz kristall med en 4,56215 Å 2d avstånd, en 50 mm diameter och en 1385 mm kurvradie för att visa H-liknande spektrum.
4. Erhålla en rektangulär (102) -quartz med en 4,56215 Å 2D avstånd, till en bredd av 64 mm och en höjd av 27 mm och läser Han-liknande spektrum.
5. Sätt och montera båda kristaller inom hus HIREXSR genom att gå spektrometern bostäder genomluckan som ligger på sin sida. Se figur 13 för sin layout.
6. Genom samma lucka, skruva de fyra detektorerna på de utsedda rörliga fästen i spektrometern kropp, reservera en detektor för H-liknande spektrum, och de andra tre för He-liknande spektrum. Detta arrangemang illustreras i Figur 14.
7. Placera fästen 125 cm från kristallerna så att linjen från mitten av kristallerna till den av detektorerna bildar en vinkel θ _b / 2 med linjen från mitten av Rowland cirkeln till centrum av kristallen, där θ _b är Bragg-vinkeln av mitten av spektrumet som mäts. Se figur 5.
   1. Observera att för argon använde H-liknande kristaller resulterar i θ _b = 55,5 °, och han liknande kristaller som används resulterar i θ _b = 60,5 °.
8. Vinkel detektorerna att matchamodifierat arrangemang illustreras i figur 5.
   1. Notera att exakt inriktning av detektorerna är inte viktigt, eftersom de insamlade data kommer att kalibreras mot en känd källa under experimentkörning.
9. Separat HIREXSR s heliumatmosfär från tokamak vakuum genom att installera en 0,001 "tjock och 4" diameter beryllium fönster. Se figur 13 för dess layout.
10. Installera en 10 "avstängningsventil mellan fönstret och reaktorn för att skydda mot fel i beryllium fönstret.
    1. Notera att slussventilen ska stängas när det lokala trycket stiger över 10 mTorr att undvika skador på både spektrometern och tokamak.
11. Se Figur 6 och Figur 15 för top-down och sidovyer respektive av HIREXSR och Alcator C-Mod, tillsammans med relativa avstånd från detektorerna och kristaller, och mellan spektrometern och tokamak.

1. Hänvisa till de relevanta publicerade arbeten för detaljer och detaljerna om byggandet av laser friblås apparaten ^10.
2. Att injicera kalcium, ta en 2 pm _CaF2 bild med 100 Å krom (för att underlätta laser absorption i materialet) och placera bilden i laser blåsa-off system. Eftersom detta kräver tillgång till C-Mod reaktor, gör detta innan verksamheten påbörjas för dagen.
3. Byt till kanal 14 på Alcator C-Mod slutna krets kabel-TV-system för att visa en svartvit CCD-kamera som klockor bilden. Den 633 nm diodlaser plats bör vara synliga på bilden.

4. Köra en Plasma Experiment

1. I början av försöket dag startar skript som kommer att samla in och spara data från röntgendetektorer räknepixeln för varje experimentkörning, eller "shot". Detta kommer att bero på den specifika detektorn setup i place. Stegen som är specifika för HIREXSR presenteras här.
   1. Från en arbetsstation i C-Mod kontrollrum, ta upp en kommandorad terminal.
   2. Anslut till en detektor på distans genom att ange "ssh -X Det @ dec0xx", där xx varierar från 07 till 10.
   3. Ändra kataloger genom att ange "cd p2_1mod"
   4. Kör kommandot "runtvx". Detta kommer att ta upp ett fönster som kommer lavin med text.
   5. När texten stannar, tryck på enter två gånger. Startskriptet ställer in bildfrekvensen till 50 Hz och tröskelenergi till ~ 2 keV. En annan lavin av text kommer att hända och detektorerna börjar kalibrering.
   6. Vänta tills allt detta slutar och skriv "exit" i fönstret.
   7. Upprepa för varje detektor 07-10.
2. Hela dagen, upprätthålla en heliumatmosfär i HIREXSR något över omgivningstemperatur genom att kontinuerligt pumpa gasen in i huset under hela operationen. Detta minskar atmosfärsröntgen attendering och termisk expansion av kristallen.
3. Samarbeta med på plats ingenjörer för att säkerställa plasma når de önskade plasmaparametrar under kommande skott. Om parametrarna är att byta från skott till skott, meddela detta till den tekniska personalen mellan varje skott.
   1. Dessutom, någon gång under körningen dag begära en "låst läge" skott från verkstadspersonal för kalibrering av data som den dagen. Se Reinke et al. 2012 ¹ för en förklaring av låsta lägen och hur de används för kalibrering.
4. För störningstransportstudier: Före varje skott, program lasern blow-off system för att injicera den önskade koncentrationen av icke-återvinnings föroreningar _(CaF2, Sc, etc.) i plasma vid önskade tidpunkter.
   1. Besluta om en laserpunktstorlek, som styr den mängd material som borttagen från bilden. Från operativ erfarenhet vid Alcator C-Mod, ungefär 10% av den avlägsnade mateRial gör det i plasmakärnan under låg strömförbrukning ^10. Typiska plats storlek varierar från 0,5 till 3,5 mm.
   2. Bestäm de önskade utblåsningstider, med tanke på den maximala 10 Hz operationshastighet.
   3. Ange önskad punktstorlek och timings till laserutblåsnings styrsystem GUI. Till exempel transport studie av et al. Rice 2013 ¹¹ varierade de punktstorlekar från 0,5 till 3,5 mm och hade injektioner var 300 msek.
5. För alla studier: Ställ in gasventilen till bloss argon in i plasma 0,3 sek efter det att plasman börjar. Puff bör vara ca 0,1 sek och höja argon tätheten till ca 10 ^-4 gånger elektrontätheten.
6. Använd dwscope att se live diagnosdata under körningen dag för system som använder MDSplus, såsom C-Mod.
   1. Från en arbetsstation i tokamak kontrollrummet, öppen dwscope från programmenyn
   2. Skaffa en eller flera omfattning filer med relevanta diagnostik visade från another användare, eller skapa egna listor med MDSplus Tree Command Language (avancerat).
   3. Klicka på "Anpassa | Använd sparade inställningar från ..." och välj en omfattning fil för att ladda den. Ett användbart exempel omfattning, plasma_n_rot_z.dat, visas med dwscope GUI i figur 16.
   4. Lämna textrutan i botten bar blank och data laddas från den senaste bilden.
   5. Om så önskas, ange ett skott nummer och klicka på "Apply" för att läsa in data från en specifik skott.
7. Informera tekniska operatörerna att alla förberedelser för den kommande skottet är komplett och att de kan fortsätta att antända plasmat.
8. Vänta för operatörerna att initiera plasma och för det till slut. I Alcator C-Mod, kommer initieringsprocessen varar omkring 3 min och plasman kommer att brinna under mindre än 10 sek.
   1. Om du använder laserutblåsningssystemet, visuellt bekräfta glid ablation via kamerans vy av glid (se avsnitt 3).
   Vänta tokamak svalna för att gå vidare till nästa skott. I Alcator C-Mod, kommer denna process att pågå 10-15 min.
   1. Använd denna tid att göra några ändringar i den experimentella inrättat och överlämna dem till operatörerna så att de kan användas senare, om så önskas.
9. Observera att om några ändringar i hårdvaran önskas, bör forskarna begära en "cell access" till operatörerna, då de kommer att öppna tokamak och frigör den andra säkerhetsfunktioner för att tillåta människor att komma in Alcator C-Mod omgivning. Annars är tillgängligt obegränsat tillträde före och efter körningen dag. Hardhats ska alltid användas vid arbete i närheten av reaktorn.
10. Använd dwscope som tidigare att granska alla önskade diagnostik plasma efter loppet dagen har avslutats.
    1. Observera att data kan också program nås via olika MDSplus API: er för olika språk.

5. Kalibrering avHIREXSR Låst läge Data Använda THACO

1. Användning HIREXSR Analys Code (THACO) att invertera HIREXSR data, vilket är linje integrerade ^12. Referens och detaljerad uppdelning för alla dessa steg kan hittas på nätet i den opublicerade THACO Handboken på MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) online-bibliotek. Detta avsnitt behandlar förstagångsinstallationen och lansering av THACO, följt av kalibreringsprocessen.
2. Följ instruktionerna på Alcator C-Mod wikisida för THACO att upprätta THACO för första gången användning på en maskin som är ansluten till PSFC nätverket. Du kan också behöva begära skrivrättigheter till spektroskopi trädet från nätverksadministratören.
3. Ange "IDL" i en kommandorad från att starta IDL kommandoradsgränssnittet.
4. Från IDL, ange "@ thaco.bat 'för att starta THACO.
5. Identifiera ett låst läge som ska användas för kalibrering av data.
   1. Öppna en webbläsare och navigera till PSFC loggboken.
   2. Klicka på & #34, anpassade fråga "för att få upp en söksida.
   3. I den anpassade frågetextrutan, ange "SHOT LIKE '1yymmdd %%%" och TEXT LIKE'% låst läge% ' ", där ÅÅMMDD är år / månad / dag av körningen dag, för att få upp loggposter som innehåller texten låst läge.
   4. Bestäm sköt antalet låst läge från loggposterna, och ta del av de låsta läge start / sluttider.
   5. Observera att ha en låst läge baslinjen är inte absolut nödvändigt för alla diagnostik, liksom de som involverar linjeförhållanden som fastställandet av elektrontemperatur ^13, men rekommenderas eftersom Bragg-vinkeln kan skifta från dag till dag på grund av kristallgitter expanderar / drar ¹⁴ .
6. I THACO GUI anger låst läge sköt numret till textfältet "(ACTIVE) SHOT" och tryck enter.
7. Tryck på knappen "LANSERING W_HIREXSR_CALIB" och starta kalibrerings widgeten.
   1. I fönstret thpå dyker upp, se till att fältet "SHOT" innehåller det låsta läget sköt antal, och ta del av numret i "modul". Tryck på enter efter eventuella ändringar görs i något fält.
   2. Klicka på "LOAD" -knappen i den översta tredjedelen av fönstret och vänta på att data ska laddas.
   3. Klicka på "LOAD" i mellersta tredjedelen fönstret och vänta på mer data som ska laddas.
   4. Om data har lästs in och passar ellipser ser bra ut, upprepa kalibreringssteget med ett annat nummer i "MODUL" -fältet (1-4), som låst läge sköt redan har kalibrerats.
   5. Om alla moduler (1-4) har redan kalibrerats, hoppa över resten av kalibrerings och detektorinriktningssteg eftersom skottet har redan kalibrerade, och gå direkt till avsnitt 6.
8. Börja spektral koppling genom att välja lämpligt alternativ i det övre högra hörnet av fönstret. Endast H-liknande och han-liknande Ar och Ca spektra enre stöds ur lådan för tillfället.
   1. Ställ in "T1 =" och "t2 =" fält till det låsta läget start / sluttider respektive som nämns i loggboken.
   2. Flytta "fit LOW" och "fit HIGH" reglagen tills regionen passform, betecknas med streckade vita linjer ovanpå spektrumet i det övre vänstra hörnet, innehåller endast den region där de spektrallinjer av intresse synligt lösas.
   3. Klicka på "FIT / SAVE SPECTRA" -knappen och vänta på att anpassningsprocessen till slut.
   4. När anpassningsprocessen är klar, använde "SPEC" reglaget eller vänster / höger bredvid den i mellersta tredjedelen av det grafiska gränssnittet för att visuellt inspektera alla spektrala passar.
   5. Ta bort eventuella dåliga eller avvikare passar genom att markera "BAD" kryssrutan bredvid "SPEC" reglaget. Referens verk som finns i steg 1,3 för jämförelse mot kända spektra. Till exempel kommer han liknande Ca spektra liknar figur 10.
   6. Börja ellips passande genom att välja önskad linje (w, x, y, z) från den nedre tredjedelen av det grafiska gränssnittet.
      1. Klicka på "FIT ellipser" knappen och vänta ellipser vara lämpligt att de spektrala passar.
      2. Flytta "låg", "High" och "outl" reglagen tills ellipsen passar visuellt matchar spektra. Ellipserna är lämpliga med en icke-linjär minsta kvadratmetoden MPFIT ^15, som kan vara petiga.
      3. Klicka på "SAVE ellipser" -knappen när du är klar, och upprepa processen med nästa önskade linjen.
      4. När alla linjer har varit lämpligt, ändra "MODUL" till en annan modul (1-4) som inte har kalibrerats ännu och tryck enter, och fortsätt igen från steg 5.7.1.
      5. När alla moduler har kalibrerats genom att klicka på "AVSLUTA" -knappen (inte "X") för att stänga widgeten.
   7. Tryck på knappen "LAUNCH W_HIREXSR_DET_ALIGN" för att starta detektorn inriktnings widgeten. <ol>
   8. I "SHOT" anger du sköt antalet nyligen känd låst läge som redan har kalibrerats och tryck enter. Ta del av den "MODUL" fältet.
   9. Klicka på "LOAD" -knappen och vänta på att data laddas.
   10. I det nedre vänstra hörnet, skriva ner alla reglage värden i "detektor POSITION" panel.
   11. I "SHOT" anger du sköt antalet låst läge som kalibreras och tryck enter.
   12. Klicka på "LOAD" -knappen och vänta på att data laddas.
   13. Ange värdena nedskrivna tidigare i "detektor POSITION" panel, trycka Enter efter varje ändring.
   14. Ändra värdena i "detektor POSITION" panel, antingen genom reglagen eller genom att manuellt ändra värden i textrutorna, tills alla eller de flesta av de cirkulära rester ligger inom det gröna fältet.
   15. Ändra "MODUL" fältet till en modul (1-4) som inte har anpassats ännu och press anger. fortsätter sedan från steg 5.10.1.
   16. När alla moduler har anpassats, klicka på "AVSLUTA" -knappen (inte "X") för att stänga widgeten.
   17. Kalibrering görs nu; fortsätt till Avsnitt 6 med låst läge skott.

6. avancerad analys av HIREXSR data med hjälp THACO

1. Användning HIREXSR Analys Code (THACO) att invertera HIREXSR data, vilket är linje integrerade ^11. Referens och detaljerad uppdelning för alla dessa steg kan hittas på nätet i den opublicerade THACO Handboken på MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) online-bibliotek. Detta avsnitt behandlar den faktiska inversionsprocessen för att visa profildata.
2. Bestäm skott numret för skott av intresse.
3. Från THACO GUI ställer fältet "(aktiv) SHOT" till skottet nummer, och tryck på enter. GUI bör erkänna förändringen i loggen på botten.
4. Välj den spektrala raden av intresse, ställa fältet &# 34;. LINE "till raden antalet intresse för argon, kommer detta vanligtvis att vara två för han liknande z linje, och 3 för H-liknande lya1 linje.
   1. Klicka på "LISTA THACO radnummer" att lista alla radnumren tillgängliga.
5. Klicka på "binning" -fliken i den övre delen av det grafiska gränssnittet.
   1. Klicka på "KONTROLLERA THT TILLGÄNGLIGHET" för att kontrollera THACO Tree (THT) tillgänglighet. Den nedre delen av det grafiska gränssnittet bör logga alla tillgängliga THACO träd.
   2. Ställ in fältet "nya THACO träd (THT) nummer" till den första siffran inte nämns i tillgången.
   3. Klicka på "SKAPA" för att skapa en ny THT så föregående analys inte över.
   4. Klicka på "KONTROLLERA THT TILLGÄNGLIGHET" igen för att uppdatera listan över tillgängliga thts.
   5. Ändra "THT" fältet bredvid "(aktiv) SHOT" fältet till den nyinrättade THT nummer, och tryck på enter. GUI loggen bör erkänna denna åtgärd.
6. Om than nuvarande skott är inte en låst läge, klicka på "CALIB" -fliken i den övre delen av det grafiska gränssnittet.
   1. Ändra "Calibration data från Shot" till det låsta läge som ska användas för att kalibrera data.
   2. Tryck på "COPY" -knappen för att kopiera över kalibreringen.
7. Klicka på "binning" -fliken igen.
   1. Konsultera THACO handbok för instruktioner om att göra anpassade Binnings.
   2. För att kopiera binning från en tidigare analys anger skottet / THT i sina respektive områden (tryck på RETUR efter varje förändring) i panelen med "COPY" -knappen.
   3. Kopiera över binning: Välj "BRANCH A" och klicka på "COPY", välj sedan "BRANCH B" och klicka på "COPY" igen.
8. Klicka på fliken "profiler" i den övre delen av det grafiska användargränssnittet.
   1. Konsultera THACO handbok för instruktioner om hur man använder de avancerade funktionerna som finns i det här avsnittet.
   2. Annars anger skottet / THT tillbakama föregående analys i sina respektive områden (tryck på RETUR efter varje ändring) i den övre panelen.
   3. Klicka på "LOAD RHO" -knappen följt av "LOAD GOOD" -knappen.
9. Klicka på "RUN THACO" -knappen, och THACO kommer att påbörja inversionsprocessen. Detta kan ta ett par minuter.
10. Notera att THACO faktiskt går igenom en serie av oberoende steg under denna process: att driva ett fler gaussisk passning på spektra för att beräkna moment av olika linjer med användning av dessa stunder för att beräkna linje-integrerad profildata, därefter invertering av linje integrerade data som genom en minstakvadratmetoden. Mellanliggande utsignaler från dessa steg, som är användbara för felsökning, kan återfinnas i de stunder och profiler widgets. Intresserade användare uppmanas att titta igenom THACO handbok för mer information om dessa steg och hur man kan använda dessa widgets för mer finkornig kontroll över inversionsprocessen.
11. När denna bearbetning process finishes, från "Profiler" fliken klicka "LAUNCH_W_HIREXSR_PROFILES" för att visuellt inspektera profilerna.
    1. Tryck på "LOAD" -knappen i "Tree I / O" panel längst ner och vänta på att data laddas.
    2. Om automatiserad process misslyckas, hitta "DO inversioner FÖR" och klicka på "ALL" för att snabbt göra om alla inversioner.
    3. inspektera manuellt inverterade profiler på rätt genom att använda "TIME" reglaget längst ner för att ändra ramarna.
    4. Om det finns några inverterade profiler som verkar vara fel (t.ex. negativa temperaturer, unphysical gradienter mot kanten, etc.), använd - / + knapparna bredvid "CH #" för att välja outlier kanaler till vänster, och avmarkera "BRA" för att ta bort dem från inversionssteget.
       1. Observera att utsläppen tenderar att vara svagare mot kanten så osäkerheten är högre; bör emellertid den inverterade temperaturen fortfarande gå till en liten (inte nödvändigtvis) zero värde vid kanten.
    5. Hitta "DO inversioner FOR" och klicka "CURRENT" för att invertera profil för den aktuella ramen. Upprepa ta bort extremvärden tills den inverterade profilen verkar korrekt.
    6. Tryck på "SAVE" efter att data verkar tillfredsställande.
    7. Använd profiler widget för att inspektera uppgifter.
12. Om så önskas, klicka på "starta W_HIREXSR_COMPARE" på fliken "JÄMFÖR" att jämföra profiler tillverkade av olika spektrallinjer. Ett vanligt scenario där detta är användbart är när plasmakärntemperatur blir tillräckligt varmt för argon H-liknande utsläpp att köra om He-liknande utsläpp.
13. Observera att data kan också program nås via olika MDSplus API: er för olika språk. Hänvisar till THACO anvisningen till respektive banor.

Representative Results

Ett representativt prov data från pixeldetektor för en tidsficka för Han-liknande argon spektrum visas i figur 17. De spektrala linjer, böjda in i en elliptisk form av den sfäriska kristallen, är tydligt synliga. Den övre detektorn har en trasig detektor panel, och det finns några döda pixlar utspridda över alla detektorer. Data från den brutna detektorpanelen bör ignoreras. Skivor från detektorn som visar den uppmätta spektra och resultaten av den spektrala kopplingen görs genom THACO över en enda ackordet visas i figur 18 och figur 19. Den resulterande linje integrerade profildata visas i Figur 20.

Ett exempel på ett inverterat plasmatemperaturen och toroidhastighetsprofil skapad av THACO från Han-liknande argon linjer kan ses i figur 21. De uppmätta ion temperaturerfrån HIREXSR överens med oberoende diagnostik i andra mätkanaler ^1. Med argon, en återvinnings orenhet, tillåter jon profiler som ska mätas över hela utvecklingen av plasma. Detta är avgörande för transportstudier, såsom i Rice et al. 2013 ^11, som studie plasma utveckling över tidsskalor längre än förorenings förlossning tiden. Om detektorerna var istället placerad för att mäta en transient förorening, såsom kalcium, skulle HIREXSR åstadkomma transienta profildata. Se Howard et al. 2011 ¹⁰ för en sådan studie.

Figur 1. Illustration av Bragg-reflektion. Inkommande strålar reflekterar och konstruktivt interfererar baserat på deras infallsvinkel och våglängd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2. En -skakningskurva för en Calcite Crystal. Den svarta kurvan är den bästa passningen till observerade data, medan den streckade linjen är den idealiserade fallet där det inte finns någon absorption.

Figur 3. En Johann Spectrometer med en Bent Crystal. Inkommande strålar som infaller på samma plats på omkretsen av cirkeln har samma infallsvinkel på kristallen och hamna på samma plats på detektorn. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

d / 54.408 / 54408fig4.jpg "/>
Figur 4. En Johann Spectrometer med en sfäriskt Bent Crystal. Den sfäriska böjning av kristallen gör det möjligt för rumslig upplösning längs meridianplanet, så spektra fångas längs flera linje genomsnitt ackord genom plasma. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5. Detektorn kristall inriktning används i HIREXSR. I HIREXSR, är detektorn vinklad något från standard arrangemang för att möjliggöra ett större utbud av våglängder som skall mätas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6. Top-down CAD ​​Visa av HIREXSR. Denna CAD-ritning visar de relativa positionerna för de två detektorsystem och spektrometern kristallen till tokamak vakuumkärlet, som innehåller plasmat. Den siktlinje av spektrometern är vinklade något off-axeln för att tillåta toroidal rotation som ska mätas genom dopplerskift.

Figur 7. Layout av optiska systemet. Denna figur visar layouten av det optiska systemet för laserutblåsningssystemet från Howard et al. ^10.

Figur 8. Bråk laddningstillstånd Överflöd för olika ädelgaser. Denna kurva visar fraktionsladdningstillstånd beståndför olika ädelgaser i coronal jämvikt. Fullt avskalade stater i visas med heldragna linjer, H-liknande med streckad, Han-liknande med streck-prick och Ne-liknande med streck-prick-prick. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 9. Ca ¹⁸⁺ K / W Ljusstyrka Ratios. Den uppmätta korda-medelvärdesljusstyrkeförhållandet för dielectronic satellit k till resonanslinjen w i He-liknande Ca ¹⁸⁺ (röda punkter) jämfört med den teoretiska kurvan (grön linje).

Figur 10. Uppmätt Han-liknande Ca ¹⁸⁺ Spectrum. Den uppmätta Han-liknande Ca ¹⁸⁺ (w, x, y och z) spektrum med sat-TV tes (mest framträdande "4", "3", q, r och k) visas med prickarna. En syntetisk spektrum beräknas med kollisions-radiativ modellering som indikeras av den heldragna linjen.

Figur 11. Uppmätt H liknande Ar ¹⁷⁺ Spectrum. Den uppmätta spektrum av Ar ¹⁷⁺ Ly _α dubb och närliggande satelliter (gröna prickar), med syntetisk spektrum (röd linje). Notera överlappningen mellan Mo ³²⁺ linjen och Ly _α2 linjen.

Figur 12. Uppmätt Han liknande Ar ¹⁶⁺ Spectrum. Uppmätt röntgenspektra i närheten av Ar ¹⁶⁺ w resonanslinjer. Notera den log-skala.

ure 13 "src =" / filer / ftp_upload / 54.408 / 54408fig13.jpg "/>
Figur 13. Intern View visar kristaller och vara fönster. Fönstret beryllium (a) och kristaller (b) visas sett inifrån huset. Be fönstret är märkt med grönt, den sfäriska kristallen med rött, och den rektangulära kristaller med lila.

Figur 14. Intern visar Detektorer. De tre detektorfältet för han liknande spektra visas till vänster i (a), och för H-liknande spektra visas till höger i (b). De tre detektorer används för han-liknande spektra gör det möjligt att fånga spektra från kärnan och kanten av plasma samtidigt.

Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 16. Exempel Vy över dwscope. Denna figur visar en skärmdump av en instans av dwscope. Line-integrerade data från HIREXSR markeras av den röda rutan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 17. Exempel detektorutsignalen. Denna figur visar exempel rådata som samlats in av detectors över en enda gång bin för He-liknande (topp, mitten) och H-liknande (botten) argon-spektra. Y-axeln motsvarar våglängden, och x-axeln till meridionala vinkel. Spektrallinjerna, böjd till en elliptisk form av den sfäriska kristallen, är tydligt synliga. Den övre (1x vinst) och botten (2x vinst) spektra från kärnan, och den mellersta spektrum (8x vinsten) är från kanten. De streckade gröna linjerna separera olika regioner för den spektrala montering koden. Den övre detektorn har en trasig detektor panel, och det finns några döda pixlar utspridda över alla detektorer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 18. Exempel Collected H-liknande Spectra. Uppmätt linje genomsnitt ljusstyrka över argon H liknande spektrum för enenda ackord och tidsficka (överst, vit), vilket motsvarar en enda kolumn av bildpunkter i den nedre detektorn i figur 17. Den borttagna bakgrunden visas i grönt, och en multi-gaussisk passform visas i cyan. Den totala passform sammansatta spektrum visas av den röda linjen, och förbättringarna i den nedre figuren. Notera avtalet med figur 11.

Figur 19. Exempel Collected Han-liknande Spectra. Uppmätt linjemedelvärdes ljusstyrka över argon Han-liknande spektrum för en enda ackord och tidskorgen (övre, vit), vilket motsvarar en enda kolumn av bildpunkter i det övre detektorn i figur 17. den avlägsnade bakgrunden visas i grönt, och en multi-gaussisk passform visas i cyan. Den totala passform sammansatta spektrum visas av den röda linjen, och förbättringarna i den nedre figuren.

Figur 20. Exempel Linje Integrerad profil. Visar denna siffra ett exempel på linje integrerade data som genereras av THACO från resultaten av linjen montering. Det måste tomographically inverteras för att returnera profil.

Figur 21. Exempel Inverted plasmaprofiler. Denna figur visar exempeldata som har inverterats av THACO att producera temperatur och toroidal rotationsprofiler. HIREXSR möjliggör både rumslig upplösning (längs y-axeln) och tidsupplösning (längs x-axeln). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Sensortyp	Backförspända kiseldioduppsättning
sensor Tjocklek	320 | j, m
pixelstorlek	172 | j, m x 172 | j, m
Formatera	487 × 195 = 94,965 pixlar
Område	83,8 mm x 33,5 mm
Dynamic Range	20 bitar (1: 1,048,576)
Räknehastigheten Per Pixel	> 2 × 10 6 röntgenstrålar / sek
Energy Range	3-30 keV
energi Upplösning	~ 500 keV
Justerbar tröskelområde	2-20 keV
avläsning Tid	2,7 ms
Maximal bildfrekvens	300 Hz
Punktspridningsfunktion	en pixel
extern Triggare / gate	5 V TTL
Energiförbrukning	15 W
Mått	275 × 146 × 85 mm
Vikt	1 kg

Tabell 1. Detektor Specifikationer. Tabellen innehåller detektor specifikationer som är relevanta för utformningen av HIREXSR.

Discussion

De data som genereras av denna teknik kan användas i en mängd olika experimentella studier. Ion temperatur och toroidal hastighetsprofiler kan användas i ett brett spektrum av transport studier, inklusive inneboende själv alstrade plasmat rotation och icke-lokala störningseffekter. Mäta spektra av injicerade föroreningar genom laserutblåsnings kan också ge viktig information om transport av föroreningar i plasmat, som gjordes i Howard et al. 2011 ^10. Vid denna tid, inga andra plasma diagnostiska kan ge tid och rumsligt upplösta joner profildata från plasmakärnan ^1, vilket gör röntgen-spektroskopi en ny metod för sondering plasma beteende.

Det mest kritiska steget i protokollet är identifieringen av spektrallinjer i våglängdsområdet av intresse. Det är viktigt att de linjer som observerats är stark för att ge goda räknestatistik och lösas från både varandra och other satellitlinjer. Den relativa styrkan av dessa linjer kan förändras dramatiskt med olika temperaturer, och kvant processer som dielektrisk rekombination kan ha mätbara effekter.

Om spektrallinjerna är svaga, kan det vara möjligt att förbättra deras hållfasthet genom att införa mer av den uppmätta förorening. Om ett annat intervall av våglängder är av intresse, detektorerna behöver bara förflyttas längs Rowland cirkel, så länge som Bragg-vinkeln är fortfarande mellan större än 45 ° för att undvika divergerande strålar och mindre än 80 ° för att förhindra interferens mellan inkommande och reflekterade fotoner. Bildhastigheten av detektorerna kan också ändras för att vara snabbare eller långsammare. Detektorn inte räkna fotoner under avläsningstiden, så andelen av fångade fotoner ökar med längre ramar, vilket möjliggör bättre statistik i de erhållna data.

Spektrometern reaktorn gränssnittet ska inte läcka till 10 ^-9 std cc /sek och med förmåga att upprätthålla ett differentialtryck på 1 atm till endera sidan. Beryllium fönster är det perfekta valet för detta gränssnitt på grund av sin höga styrka och goda röntgentransmissionskoefficienten, vilket är cirka 40% för 3,1 keV röntgenstrålar. Det heliumatmosfär upprätthålls inuti huset av HIREXSR att reducera röntgendämpningen till omkring ~ 1% av inkommande strålar. Den ständiga pumpning säkerställer att ingen luft läcker in i huset och förorenar den lokala atmosfären. Dessa system bör vara dubbelkollade för läckor för att säkerställa röntgen göra det till detektorerna.

En vakuumkammare skulle vara det perfekta huset för spektrometern. Emellertid är en sådan avdelning mycket dyrt och opraktiskt att upprätthålla för en så stor spektrometer. Framtida förbättringar kan fokusera på att använda ny teknik eller nya innovationer för att skapa en spektrometer-reaktor gränssnitt och lokal atmosfär som minimerar röntgen absorption, eller försöka göra nuvarande eller liknande mönster billigare och more livskraftig.

Tekniken är begränsad av dess temperaturkrav, eftersom plasmat måste vara tillräckligt varm för att jonisera orenheten av intresse, men tillräckligt kall för att möjliggöra rekombination. Dessutom är H-liknande och Han-liknande jonisering tillstånd föredrages eftersom deras spektra är mycket enklare och lättare att karakterisera. Detta innebär att det är svårt att få uppgifter från kylaren kanten av plasma, och det kan kräva fysisk omkonfigurering av maskinen för att få användbara data från plasma över temperaturområdet tokamak. Dessutom är tekniken något begränsad av nödvändigheten av att köra kalibrerings skott på grund av den termiska expansionen hos spektrometern kristall. Detta skulle kunna förbättras i framtiden med bättre temperaturkontroll på kristallen, eller andra nya kalibreringstekniker.

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