Pomiary promieniowania X na tokamaku

Prezentacja na temat: "Pomiary promieniowania X na tokamaku"— Zapis prezentacji:

1 Pomiary promieniowania X na tokamaku
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Pomiary promieniowania X na tokamaku Projekty EURATOMU: 1. Na MAST (Culham): Zastosowanie matrycowych detektorów półprzewodnikowych (CCD) do pomiaru promieniowania X z tokamaka 2. Na W7-X (Greifswald): Spektrometria miękkiego promieniowania X za pomocą detektorów półprzewodnikowych pracujących w reżymie zliczania kwantów (PHA -analiza amplitudowa impulsów)

2 W7-X Institute of Plasma Physics EURATOM and Laser Microfusion
Association / IPPLM W7-X good, nested magnetic surfaces good finite- equilibria good MHD stability small neoclassical transport minimized bootstrap current good fast-particle confinement feasible modular coils

3 Institute of Plasma Physics
and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM

4 Geometria pomiarów promieniowania X
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM detektor pinhole zespół detektorow lub CCD plazma Geometria pomiarów promieniowania X Strumień promieniowania X padający na detektor zależy od średnicy pinhola. W metodzie spektrometrycznej: Szybkość zliczania impulsów zależy od rozmiarów pinhola i detektora. Stosowane rozmiary pinhola mm.

5 Przybliżenie wsp. Gaunta Poprawka od jonów zanieczyszczeń - bliska 1
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Przybliżenie wsp. Gaunta Poprawka od jonów zanieczyszczeń - bliska 1

6 Idea pomiaru temperatury z zastosowaniem filtrów
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM filtry plazma pinhole poj. detektory lub CCD Idea pomiaru temperatury z zastosowaniem filtrów Przy zastosowaniu CCD otrzymuje się przestrzenny rozkład temperatury w plazmie

7 Komplet filtrów Rossa Para filtrów Rossa Z, Z+1
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Para filtrów Rossa Z, Z+1 E Komplet filtrów Rossa Zakres keV, zaprojektowany przez Dr. A. Wellera z Greifswaldu (wykorzystane krawędzie L absorbcji)

8 Zastosowanie metody filtrów krawędziowych do pomiaru temperatury
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM tłumienie Zastosowanie metody filtrów krawędziowych do pomiaru temperatury elektronowej plazmy

9 Detektory przewidziane do rejestracji promieniowania promieniowania X:
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Detektory przewidziane do rejestracji promieniowania promieniowania X: detektory półprzewodnikowe Si (GaAs, InP), matryce krzemowe CCD Zalety detektorów półprzewodnikowych: 1. Stały i dobrze określony współczynnik przetwarzania energia promieniowania => ładunek 2. Małe rozmiary 3. Możliwość rejestracji pojedynczych kwantów promieniowania (reżym zliczania kwantów) 4. Wysoko rozwinięta technologia detektorów CCD

10 Bezpośrednia metoda metoda rejestracji promieniowania X za pomocą CCD
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Grubość 15 um Bezpośrednia metoda metoda rejestracji promieniowania X za pomocą CCD a. b. Metody rejestracji pośredniej

11 Zastosowanie CCD do pomiarów promieniowania X
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Zastosowanie CCD do pomiarów promieniowania X - dwa reżymy pracy

12 Institute of Plasma Physics
and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM

13 Charakterystyki widmowe różnych matryc CCD
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Absorpcja promieniowania X w typowym CCD (15 um Si) i w pn-CCD (300 um Si) Wydajność kwantowa (QE) pn-CCD z warstwą czynną 300 um Charakterystyki widmowe różnych matryc CCD

14 Absorpcja 300 um Si, GaAs i CdZnTe
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Absorpcja 300 um Si, GaAs i CdZnTe

15 Charakterystyki widmowe CCD o grubości warstwy czynnej 7 um
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Charakterystyki widmowe CCD o grubości warstwy czynnej 7 um Gate oxide layer um, Si3N4 layer um, Si polycrystalline layer um, isolation oxide layer um.

16 Kalibracja CCD Monochromator setup for CCDs single-photon calibration.
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Kalibracja CCD Monochromator setup for CCDs single-photon calibration. Laser - 3ns Nd:YLF, target - Cu, crystal set in Bragg confguration,

17 Testowy układ pomiarowy z zastosowaniem kamer CCD wykonany w IFPiLM:
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Testowy układ pomiarowy z zastosowaniem kamer CCD wykonany w IFPiLM: CCD Camera:320 x 240 x 30 fps. Video card (frame grabber):320 x 240 x 30 fps. (NTSC)320 x 288 x 25 fps. (PAL) Chipset Conexant Fusion 878A CRT display CCD cameras with X-ray filters Video card Computer Wyzwalanie sygnalem z CCD - powyżej progu (1) auto mode Trigger system (2) external mode (3) manual mode

18 Specyfikacja softwer-u:
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Specyfikacja softwer-u: Programming language: DELPHI 6.0 System komunikowania się z kartą: biblioteka obiektowa VCL wykonana w IFPiLM Możliwości interfejsu: ustalanie częstości przetwarzania, ustalanie wielkości obrazu, wybór żródła

19 Główne możliwości programu:
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Główne możliwości programu: pobieranie danych (pojedyncza ramka lub ciąg ramek, wstępne przetwarzanie danych, zapamiętywanie na dysku w celu dalszej obróbki

20 Typ aparatury do rejestracji obrazu emisji promieniowania X:
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Typ aparatury do rejestracji obrazu emisji promieniowania X: Kamera CCD: (DALSTAR DS-1x-01M30) 1024 x 1024 x 30 fps. single channel LVDS digital video output progressive scan internal (separate) sync. internal and external exposure control 40 MHz pixel clock rate Karta wideo (frame grabber): (Matrox Meteor - II / Digital) Matrox Meteor - II / Digital receiving HSYNC, VSYNC, PIXEL CLOCK and video signals from camera

21 Dekonwolucja widma: pokrytych filtrami
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Dekonwolucja widma: dane eksperymentalne Dk ,(k=1, ..., N) otrzymane z zestawu N detektorów pokrytych filtrami gdzie: Rk(E) - funkcja odpowiedzi kanału k (jednostka A/W), S(E) - nieznane widmo prom. X (definiowane jako S=dF/dE, (W/eV)), F(E) - nieznany strumień prom. X, (W), Dk(E) - dane otrzymane z detektora k, (A). chcemy wyznaczyć strumień promieniowania X F(E)

22 Schemat rozwiązywania problemu:
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Schemat rozwiązywania problemu: równanie w formie macirzowej: odwracamy macierz rzeby wyznaczyć współczynniki ci

23 Rezultat dekonvolucji
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Rezultat dekonvolucji

24 Przykład rezultatu otrzymanago za pomocą programu:
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Przykład rezultatu otrzymanago za pomocą programu: Characteristic of the filters responce (left fig.) and result of deconvolution (right fig.) for the case of symetrical location of filters. Exponential type of X-ray flux.

25 Przykład rezultatu otrzymanago za pomocą programu:
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Przykład rezultatu otrzymanago za pomocą programu: Characteristic of the filters responce (left fig.) and result of deconvolution (right fig.) for the case of asymetrical location of filters. Exponential type of X-ray flux.

26 Przykład rezultatu otrzymanago za pomocą programu:
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Przykład rezultatu otrzymanago za pomocą programu: Characteristic of the filters responce (left fig.) and result of deconvolution (right fig.) for the case of asymetrical location of filters. Linear type of X-ray flux.

27 Spektrometria miękkiego promieniowania X
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Spektrometria miękkiego promieniowania X Podstawowe założenia działania systemu pomiarowego: 1. Możliwość rejestracji pojedynczych kwantów promieniowania X, wystarczająco duży stosunek sygnału do szumu => chłodzenie detektora => praca w próżni 2. Możliwość pracy przy dużej szybkości zliczania impulsów => nietypowa aparatura spektrometryczna 3. Odporność na uszkodzenia radiacyjne => specjalne detektory (dla W7-X) 4. Odporność na zakłócenia elektryczne i elektromagnetyczne

28 Typowe widmo promieniowania X tokamaka zmierzone
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Typowe widmo promieniowania X tokamaka zmierzone w reżymie zliczania kwantów. Piki promienowania pochodzą z zanieczyszczeń (piki “ucieczki” - nie odpowiadają realnej emisji)

29 Institute of Plasma Physics
and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM

30 Tradycyjny przedwzmacniacz
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Tradycyjny przedwzmacniacz Przedwzmacniacz z resetem tranzystorowym Canberra Model 2101

31 Przetwarzanie sygnału w torze spektrometrycznym
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Wzmacniacz z formowaniem RC Przetwarzanie sygnału w torze spektrometrycznym Pile-up

32 W7-AS PHA-System Institute of Plasma Physics EURATOM
and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM

33 W7-AS PHA-System

34 Układ spektrometryczny zbudowany w Portugalii, stosowany przy tokamaku
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Układ spektrometryczny zbudowany w Portugalii, stosowany przy tokamaku “TCV” (Szwajcaria)

35 Detektor dryftowy Institute of Plasma Physics EURATOM
and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Detektor dryftowy

36 Zalety detektorów dryftowych w pomiarach spektrometrycznych
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Zalety detektorów dryftowych w pomiarach spektrometrycznych na tokamaku: 1. Dobra zdolność rozdzielcza przy dużej szybkości liczenia, 2. Umiarkowane chłodzenie (do -10°C) => małe rozmiary spektrometru, 3. Duża grubość warstwy czynnej (280 mikrometrów) - szeroki zakres energetyczny, 3. Małe rozmiary det., możliwość stosowania zespołu detektorów (=> tomografia), 4. Ciągłe rozładowywanie napięcia na anodzie - brak potrzeby stosowania reset-u

37 Krzemowe detektory dryftowe pracujące w temp. - 10 °C
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM * Mała pojemność detektora * Zintegrowany tranzystor polowy => duża szybkość liczenia (100 kHz i więcej w układach z przetwarzaniem cyfrowym) Krzemowe detektory dryftowe pracujące w temp °C

38 Digital X-ray Processing (DXP) CAMAC Unit
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Digital X-ray Processing (DXP) CAMAC Unit

39 DXP Camac Unit Institute of Plasma Physics EURATOM
and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM DXP Camac Unit

40 Wybór stałych wagowych wi determinuje sposób uśredniania
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Wybór stałych wagowych wi determinuje sposób uśredniania i typ filtru cyfrowego

41 Wykrywanie zdarzeń pile-up
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Wykrywanie zdarzeń pile-up

42 Chińskie spektrometryczne układy pomiarów na tokamaku HT-7:
Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion EURATOM Association / IPPLM Chińskie spektrometryczne układy pomiarów na tokamaku HT-7: 1. Próby stosowania różnych typów detektorów 2. Wersje najbardziej aktualne: 6-cio i 15- kanałowe układy pomiarowe z detektorami dryftowymi

43 Layout of SDD PHA in HT-7 tokamak
Vertical 15 channel (V-PHA) Measuring range: cm Spatial resolution : 3 cm Horizontal 6 channels (H-PHA) Measuring range: 0~+24 cm Spatial resolution : 4.8 cm

44 SDD for PHA in HT-7 Isolated SDD (6 detectors) 15-channel SDD Array
Area: 5mm2 Thickness:280µm Be foils:8µm

45 Arrangement of vertical SDD PHA
Spatial resolution: 3 cm Detecting range: +21cm Unfortunately, five detectors of 15-channel linear array SDD were not operational during the last experiment

46 Arrangement of horizontal SDD PHA
Spatial resolution: 4.8 cm Detecting range: 0~24cm Unfortunately, the outer SDD measuring 24cm was not operational during the last experiment

47 Experimental Results of Ohmic Discharge
Ip=120 kA ne0 =1.43×1019m-3 Electron temperature profile of ohmic discharge The measure profile is well described by the analogy parabola form of : 0.86×(1-(r/a)2)1.9 Soft x-ray spectra of horizontal SDD PHA (350~450ms)