View source for Рентгеновский спектрометр

'''Спектроскопия мягкого рентгеновского излучения''' (англ. ''Multichord Soft X-Ray'', '''MSXR''') с использованием амплитудного анализатора мягкого рентгеновского излучения (АА МРИ) на протяжении многих лет остается значимым инструментом определения ряда параметров высокотемпературной плазмы на термоядерных установках мирового уровня. Помимо получения значений электронной температуры, диагностика даёт возможность определять качественный и количественный состав тяжёлых примесей, в ряде случаев во многом определяющих уровень радиационных потерь в плазме. Именно высокое содержание тяжелых примесей (W, Fe, Ni, Cr, Ti и других) может служить причиной большого значения эффективного заряда, резкого остывания плазмы и срыва разряда, поэтому своевременное определение подобных параметров необходимо для стационарного режима работы термоядерной установки. Мягкая рентгеновская область излучения плазмы охватывает диапазон энергий от 0,1 до 20 кэВ или диапазон длин волн от 0,5 до 100 Å, что, в том числе, позволяет детектировать характеристические линии тяжелых элементов. 

Эффективный заряд плазмы ''Z<sub>eff</sub>'', а также электронная температура ''T<sub>e</sub>'' могут быть определены через анализ непрерывной части мягкого рентгеновского спектра, образованной за счёт тормозного и рекомбинационного излучения. Благодаря разнообразию получаемых количественных и качественных характеристик, относительной простоте инженерного выполнения и пассивному принципу измерений используемого метода рассматриваемая спектрометрическая система является важной частью диагностического комплекса токамака Т-15МД.

==== Физический принцип работы диагностики ====
Интенсивность тормозного излучения примеси:

<math display="block">W_b(T_e, E) = \frac{32\pi e^6 \sum_i n_i Z_i^2}{3 m_e^2 c^3}
\sqrt{\frac{2\pi m_e^2}{3T_e}}\, n_e \bar{g}
\exp\!\left(-\frac{E}{T_e}\right)
= C_b(T_e) \exp\!\left(-\frac{E}{T_e}\right) \sum_i n_i Z_i^2</math>

Интенсивность рекомбинационного рассеяния:

<math display="block">W_r(T_e, E) = W_b (T_e, E) \cdot \Upsilon (T_e, Z_i), \ \ \ \ \ \ \ \  \Upsilon (T_e, Z_i)\propto\frac{1}{T_e}\exp{\frac{1}{T_e}}</math>

Количество фотонов <math>N</math> с энергией <math>[E; E+\Delta E]</math>, пришедших на детектор со всей длины хорды наблюдения, определяется временем сбора фотонов <math>dt</math>, телесным углом обзора <math>\varphi</math> и площадью основания <math>S_0</math> элементарного плазменного объёма вдоль цилиндрической хорды наблюдения <math>L</math>: 

<math display="block">N(E) = \frac{f_{Al}(E)f_{Be}(E)\varphi S_0 \Delta E}{4\pi E}\int dt \int_{-L/2}^{+L/2}W_b (T_e, E)( \Upsilon (T_e, Z_i) + 1)dl = C \cdot \frac{f_{Al}(E)f_{Be}(E)}{E} \int_{-L/2}^{+L/2}W_b (T_e, E)( \Upsilon (T_e, Z_i) + 1)dl \ ,</math>

где <math>f_{Al}(E), \ \ f_{Be}(E) </math> — функции фильтров:

<math display="block">f_{Al} = \begin{cases} \exp{\Big( -4,192l_{Al}\exp{(-2,736\ln{E)}\Big)}}, & E<1,5 \text{ keV} \\ \exp{\Big( -5,458l_{Al}\exp{(-2,883\ln{E)}\Big)}}, & E\geqslant1,5 \text{ keV} \end{cases}</math>

<math display="block">f_{Be} = \exp{\Big( -0,115l_{Be}\exp{(-3,038\ln{E)}\Big)}}</math> 

==== Геометрия ====
Одно(пока)канальный АА МРИ плазмы, ранее использовавшийся на токамаке Т-10, размещён в патрубке [[Элементы конструкции токамака#Вакуумная камера (ВК)|16E]] Т-15МД. Уникальной особенностью, отличающую АА МРИ на токамаке Т-15МД от устройств подобного типа на других установках, является оснащение диагностической системы устройством смены хорды наблюдения. Охватываемый диапазон прицельного параметра составляет от −5 см до +60 см.
{| class="wikitable"
|+Геометрические характеристики (2026 г.)
|Прицельный параметр, см
|0,5
|-
|Апертура коллиматора, мм
|4
|-
|Диаметр входного окна детектора, мм
|4
|-
|Ширина хорды, мм
|12,8
|}
==== Устройство ====
Измерительный канал состоит из детектора, аналоговой электроники, системы регистрации и системы дистанционного управления.

===== Вакуумный объём =====
Вакуумный объём спектрометрического канала отделён от вакуума токамака бериллиевой фольгой толщиной 100 мкм. Набор комбинаций фильтров (алюминиевых и бериллиевых фольг), снижающих рентгеновский поток и сменяющихся по необходимости дистанционно, обеспечивают оптимальную загрузку детектора. Доступны следующие комбинации фильтров: 
{| class="wikitable"
!
!1
!2
!3
!4
|-
|'''L<sub>Al</sub>,мкм'''
|86
|36
|18
|230
|-
|'''L<sub>Be</sub>,мкм'''
|308
|305
|337
|100
|}
Кроме этого, установленные фильтры и бериллиевое окно позволяют отсекать видимую часть спектра и низкоэнергетические фотоны.

===== Детекторная часть =====
Основным узлом системы является спектрометрическое устройство «СР-ТЭМО-190М». Составными частями его блока детектирования являются: детектор, термоэлектрический охладитель (элемент Пельтье), камера с магниторазрядным насосом, зарядочувствительный предусилитель. В качестве детектора используется планарный кремний-литиевый Si(Li) детектор с энергетическим разрешением 270 эВ для энергии 5,9 кэВ, имеющий диапазон регистрируемых энергий от 1,5 до 25 кэВ. Активная площадь ограничена коллиматором на выходном окне, резистивный заряд - чувствительный предусилитель, 12-битный АЦП, время формирования 1,5 мкс, максимальная скорость счета 2·10<sup>5</sup> импульсов/с.

===== Регистрирующая часть =====
В регистрирующую часть входят аналого-цифровой преобразователь (АЦП), установленный в расположенном в стойке в подвале установке персональном компьютере (ПК). Для удаленного доступа к ПК с АЦП в пультовой удаленного доступа (ПУД) расположено автоматизированное рабочее место (АРМ) с программным обеспечением для восстановления спектров. ПК с АЦП и АРМ в ПУД подключены к локальной сети Ethernet установки.

Для одновременности работы регистрирующей части (система сбора данных) и токамака, диагностика через внешний медиа-конвертор по оптоволоконной линии связана с системой синхронизации установки Т-15МД. Персональный компьютер управляет работой диагностики и обрабатывает результаты измерений. Хранение экспериментальных данных осуществляться в базe данных, установленной в ПК с АЦП.

===== Структура записи данных =====
TBA

===== Система дистанционного управления =====
Смена входных фильтров и коллиматоров для измерительного канал обеспечивается системой дистанционного управления (ДУ), которая включает в себя устройство смены коллиматоров и фильтров (УСКФ), блок управления приводом (БУП). Состояние диагностики и управление ею производятся программно, при помощи программного обеспечения, установленного на ПК с АЦП. Для связи ДУ с ПК используется Ethernet модуль Jerome входящий в состав БУП.

==== Калибровка ====
Калибровка по энергии производится при помощи по характеристической линии материала анода рентгеновской трубки.

==== Обработка экспериментальных данных ====
Для нахождения суммарной концентрации ионов железа измеренное распределение (гистограмму) <math>N(E)</math> требуется аппроксимировать по нижним точкам кривой, описываемой формулой:

<math display="block">f(E) = A \cdot \frac{f_{Al}(E)f_{Be}(E)}{E}\cdot \exp{\Bigg(-\frac{E}{T_e}\Bigg)}</math>

Тогда суммарная концентрация ионов железа будет равна:

<math display="block">n_{Fe} = \frac{A}{LC\int_{-L/2}^{L/2}C_b\sum_i \omega_i Z_i^2(\Upsilon (T_e, Z_i)+1)dl},</math>

где <math>\omega_i</math> определяются распределением железа по ионизационным состояниям, которое в свою очередь зависит от соотношения скоростей рекомбинации и ионизации железа при данной температуре.

==== Ссылки ====
<references />
[1]. [[:Файл:Nikolaeva 2026 MEPhI.pdf|Николаева А. В., Рыжаков Д. В. Определение распределения железа по ионизационным состояниям по спектру рентгеновского излучения // Москва. – 2026. – Т. 2. – С. 227.]]