החלת רנטגן הדמיה קריסטל ספקטרוסקופיה לשימוש כמו טמפרטורה גבוהה אבחון פלזמה

ספקטרום ה- X מספק שפע של מידע על פלזמות בטמפרטורה גבוהות; עבור טמפרטורת צפיפות אלקטרונים למשל ניתן להסיק יחסי עוצמת קו. באמצעות ספקטרומטר יוהן הצגת הפלזמה מחוץ לציר, אפשר לבנות פרופילים של פרמטרי פלזמה כגון צפיפות, טמפרטורה, מהירות בתוך הפלזמה עם ^1,2 ברזולוציה מרחבית וזמן. כתב יד זה מציג את הפעולה של ספקטרומטר ברזולוציה גבוהה רנטגן קריסטל הדמיה עם רזולוציה מרחבית (HIREXSR), רזולוציה גבוהה גל הדמיה מרחבית ספקטרומטר קרני רנטגן המשמש להצגה מימן והליום דמוי יונים של אלמנטים מספר אטומי בינוני בתוך tokamak פְּלַסמָה.

HIREXSR נפרסה Alcator C-Mod, מכשיר היתוך tokamak עם רדיוס ראשי ומשניות של 0.67 מ 'ו 0.22 מ' בהתאמה. זה בדרך כלל פועל עם פלזמות דאוטריום קיימא ~ 2 שניות עם צפיפויות ממוצעות בין 0.2-8.0 x 10 ²⁰ מ ^-3 3. בתנאים אלה, בינוני עד אלמנטים טומאה Z גבוהה הופכים מיונן מאוד להקרין בטווח רנטגן, אשר HIREXSR אמצעים. Benchmarking דוגמנות קוד אטומי של ספקטרום ה- X המתקבל פלזמות מעבדה היטב מאובחנות חשוב כדי להצדיק את השימוש של ספקטרום כאלה כדי לקבוע פרמטרי פלזמה כאשר אבחון עצמאי אחר אינו זמין ^4.

כל ספקטרומטר בנוי לשימוש הרצוי שלה. לפיכך, תיאור כללי על המכונית והמושגים הקשורים שלה עלינו לנסות ולהבין אלה כלים רבים עצמה מלאה ^5. בראג השתקפות מתרחשת כאשר פוטון משקף את שכבות סמוכות של גביש ונוסע מרחק שהוא מכפלה של אורך הגל שלו. איור 1 מתאר את התופעה הזאת. מצב זה בא לידי ביטוי על ידי המשוואה nλ = 2 ד _ב חטא θ, כאשר n הוא סדר מחדשכִּפּוּף, λ הוא אורך הגל של הפוטון, ד הוא הפרדה בין שכבות סמוכות של _b קריסטל θ היא הזווית בראג. אחד כדי התכתבות אחד בין _ב λ ו θ מציין שכל הפוטונים בנקודה מסוימת של נסיעות מטוס גלאי עם אותו הגל. בפועל, עם זאת, מגבלות קליטה ודיוק מניפסט כסטייה מהזווית בראג. התוצאה היא מגוון מצומצם של זוויות המייצרים התאבכות בונה משמעותית, מיוצגת על ידי עקומת נדנדת ^6. איור 2 הם עקומים לדוגמא עבור גביש קלציט.

HIREXSR הוא ספקטרומטר יוהן עם גביש כפוף כדורי ^7. לפני שתתאר סוג זה של מכשיר, דיון של ספקטרומטר פשוטה, חוזר מתאים. עד קבוצה זו מורכבת של גביש כפוף המשקף פוטונים נכנסים בראג שלהם זוויותמחלקות מערך של גלאי פיקסל ספירת יחיד רנטגן פוטון. הגביש ואת הגלאי שכבו משיק למעגל רולנד, כמובא באיור 3. הקוטר של מעגל רולנד שווה רדיוס העקמומיות של הגביש. כל קרני מנקודה מסוימת על היקף לכל נקודה על קריסטל יש את אותה זווית האירוע ביחס הגביש עצמו.

. במקרה של HIREXSR, ברזולוציה מרחבית היתרי קריסטל כפוף כדורית במישור מרידונל, באיור 4 _{מ 'ו} מוקד מרידונל מוגדרת: f _מ = _b θ חטא _ג R, כאשר _c R הוא רדיוס העקמומיות של הגביש. ה- _S sagittal מוקד f מוגדרת: _s = f - f _m / cos 2 _ב θ. הרזולוציה המרחבית של x Δ ספקטרומטר ניתנתעל ידי: _Cp, כאשר L הוא המרחק בין קריסטל הפלזמה, ו- D הוא הגובה של הגביש. בגלל מרווח 2-הממדים של שכבות קריסטל הוא תלוי קשר, זה חייב להילקח בחשבון בעת ​​בחירת חומר. מאז משטחי הגלאים הם מישוריים, הם יכולים להיות משיקים רק למעגל רולנד בשלב מסוים, אשר כתוצאה מכך מוליד שגיאת הכיוון שהקרני המזוהה אינו נוחתים דווקא על הנקודות המקבילות שלהם על עיגול רולנד. מבחינה פיזית, חוסר תיאום זה בא לידי בתור "מריחות" של פוטונים של אנרגיה ספציפית על הגלאי. שגיאת יוהן זה מוגדר שם, l הוא הרוחב של הגביש. אם _p δx רוחב פיקסל הגלאי הוא הרבה יותר גדול משגיאת יוהן, אזי הרזולוציה ספקטרלית אינה תלויה בו. אם להםמחדש של גודל דומה, אז השגיאה הכולל יכול להיות מקורב על ידי . את כושר ההפרדה של ספקטרומטר הקריסטל ניתן על ידי: , איפה . במקום צבת משיק הגלאי לנקודה על מעגל רולנד עם זאת, ב HIREXSR הגלאי בזווית מעט להקריב דיוק בטווח ספקטרום, כפי שמוצג באיור 5. ניתוח שגיאה זו אומת באופן ניסיוני ותואם ציפייה ^8.

ישנם שני פרמטרים מכריעים לשקול בעת תכנון ספקטרומטר יוהן. ראשית, בטווח ההדמיה קובע את אופן הפעולה ספקטרומטר יהיה התבוננות. ללימוד פלזמות, רצוי מאוד כדי להציג חתך כולו שלה כדי להבדיל בין משמרות קו שנגרם poloidal ו toroiסיבוב דאל. HIREXSR מותקן כך שהוא יכול להציג את הפלזמה כולו, והוא מוטה מעט מחוץ ציר ידי ~ 8 ° (באיור 6) כדי לאפשר מדידות טבעתיות מדויקות. שנית, ברזולוציה זמן מסדיר את הזמן המינימלי בין האירועים ספקטרומטר יכול להקליט. לקבלת Alcator C-Mod, ערכים רצויים הם מתחת ל -20 מילים-שניות, קצרות יותר מאשר פעמי האנרגיה וכליאת חלקיקים. הגלאים פיקסל ספירת רנטגן כי השימושים HIREXSR יכול לתמוך ברזולוציה זמן של 6 עד 20 msec או גדול ^9. טבלה 1 מסכמת את כל המפרט מודול.

עבור מחקרי פלזמה perturbative, ליזר המערכת לפוצץ פעמי על Alcator C-Mod נמצא בשימוש בכדי לשלוח כריתה מרובה עם תזמון מדויק ^10. הלייזר הוא Nd: YAG (גארנט אלומיניום איטריום מסוממים ניאודימיום) הפועלים במהירות של עד 10 הרץ. הליזר הוא אירוע ברכבת אופטית בשליטה מרחוק כפי שמוצג באיור 7 המתמקד ו פריםהקורה למיקום הרצוי בשקופית. בגדלים ספוט של הלייזר צריך להיות נשלט כך הזריקה לא לשבש את הפלזמה. אורך מוקד ארוך (1,146 מ"מ) עדשת מרכזת מתורגמת לאורך הציר האופטי דרך שלב ליניארי נשלט מרחוק על מנת לאפשר גדלים במקום ablated להשתנות מן ~0.5 עד 7 מ"מ. היגוי קורה מהיר מושג באמצעות מראה פיזואלקטריים 2D. מערכת פיזואלקטריים זה הוא רכוב על מראה מונע RS232 הר מסוגל. בנוסף Nd: YAG לייזר, לייזר דיודה 633 ננומטר משמש כדי לציין את המיקום של הקורה המרכזית (אינפרא אדום). הקורות עשויים להיות קוליניאריות דרך המראה הראשונה.