本文重点介绍的是一款多能量（ME）软X射线（SXR）针孔相机系统。该新型诊断技术的核心优势在于：可同步测量多个能量范围的X射线发射率，直接推断核心电子温度（Te）和杂质密度（nZ）的空间分布特征，且无需依赖等离子体轮廓先验假设、磁场重建约束、高密度限制或逐次测量可重复性要求。
一种多能量软X射线（SXR） 针孔相机在对称环面（MST）中的设计与测试
1. 简介
本文重点介绍的是一款多能量（ME）软X射线（SXR）针孔相机系统。本系统由普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）、威斯康星大学麦迪逊分校物理系与东京大学合作，为麦迪逊对称环面（MST）反向场缩颈（RFP）装置联合开发。该新型诊断技术的核心优势在于：可同步测量多个能量范围的X射线发射率，直接推断核心电子温度（Te）和杂质密度（nZ）的空间分布特征，且无需依赖等离子体轮廓先验假设、磁场重建约束、高密度限制或逐次测量可重复性要求。
2、方法学
本系统设计目标是监测所有MST放电场景中中等Z杂质辐射在多能量范围的径向时间演化。其核心创新在于：探测器允许用户根据特征截止能量（Ec）或阈值独立设置像素能量范围（响应宽度约0.5 keV）。相比传统金属箔过滤系统，该设计实现了能量阈值的任意设定与恒定能量分辨率，可通过配置更多高能量阈值像素，补偿光子强度随能量增加的指数衰减趋势。
图1.(a)和(b)铝、(c)氩及(d)钼在0. 1至2.5keV电子温度范围内的 FLYCHK X射线能谱。图(b)至(d)中的虚线为2至9keV的像素响应曲线。
2.1.光谱学
热等离子体发射的X射线光谱具有连续谱特征，其强度随光子能量增加和电子温度降低呈指数衰减。轫致辐射（ 自 由-自由）与辐射复合（ 自由-束缚）是构成连续谱辐射的两大主导过程，其表达式可表示为
图2. Al 、Ar和Mo在T e值为0.1至2.5 keV时的相对离子分布 FLYCHK 。电荷态平衡未包含中性电荷交换和背景输运的影响。
其中ni/ne 为杂质浓度 ， ni ,j/ni为离子电荷态分布，GFF为自由-自由高特因子，βi,j表示所有量子态的复合。线发射（束缚-束缚辐射）是热等离子体中发生的第三种机制，且始终可见于连续谱之上。电荷态为j的杂质离子i每单位能量辐射的功率可表示为
其中σv(Te,E)ij是基于麦克斯韦速度分布的平均总截面。
图1所示光谱展示了铝、氩和钼在1至10 keV光子能量区间内的连续谱和谱线发射率， 电子温度范围为0.1至2.5 keV ，电子密度为1.0×1014cm-3，杂质浓度为10-6，这些数据均通过 FLYCHK 代码计算得出。选择截止能量低于4keV的探测器响应可用于计算铝的杂质浓度。然而，预先选择能计数能量高于4 keV光子的探测器响应，有助于消除铝谱线发射的“污染”，从而便于进行温度分布测量。
2.2. 几何学考量 ：切线视图与径向视图
MST的几何结构与磁场配置如图3(a)所示。传统观点认为，选择切向视角相较于径向视角具有多重优势，因为目标是利用PILATUS3探测器的487列精确解析从内侧到外侧跨越约90cm的ΔR。然而，MST中大多数的高约束状态在标准反向等离子体和 PPCD 场景下会呈现强烈的n=6环向分量，而在仅非反向等离子体（其中准单螺旋度等离子体是高电流子集） 中则呈现n=5分量。这种偏离平衡态的畸变因此导致环形轴对称假设限制了切向构型及其Abel形式的使用。
一个具有径向视图的ME-SXR系统在Alcator C-Mod上成功进行了测试，该系统采用约24cm2的pilat-us探测器，并在Be真空壁过滤器后放置了1mm高的水平狭缝。MST将使用几乎相同的配置。狭缝与环向磁场平行的取向是可行的，因为ne和Te以及因此X射线辐射沿环向磁场分布均匀。因此，测量的轮廓在垂直于环向磁场的方向上具有空间分辨率。X射线相机被设计为在有或没有m =1极向分量的情况下，拍摄近似圆形极向横截面的图像（见图4）。
图3. (a) MST横截面示意图，突出显示中平面核心区域。(b)PILATUS3可分离前端与后端电子设备。三个独立像素图将分别具有[(c)和(d)]高空间分辨率及(e)中空间分辨率。
图4. 位于赤道中平面下方的径向视图，成像MST等离子体的整个圆形横截面。探测器垂直放置，像素设置将如图3(d)和3(e)所示。
3. 紧凑型相机 AND FlRST 测试
图5和6展示了为MST设计的超紧凑型多能量 SXR 针孔相机。PILATUS3探测器安装在与不锈钢ISO160真空法兰连接的铝制支架上。该法兰经过加工，设有差压泵送接口、两条水冷管线以及电源和数据传输连接器。铝制探测器外壳将保持1m Torr的诊断真空度，通过一块25μm厚的弯曲铍滤膜与机器真空系统隔离，该滤膜作为主真空壁界面。真空外壳设计为当闸阀开启时可滑动穿过适配法兰。两个O型圈确保真空状态，而差压泵送则通过适配器法兰上的侧向阀门实现。当折叠时，该紧凑型系统的长度小于15cm。
图5. 多能谱仪（ME-SXR）在多能谱仪系统（MST） 中的爆炸视图，展示ISO160真空法兰（含差压泵送与冷却管线） 、电源与数据传输接口、PILATUS3探测器、真空壳体、弯曲的铍25μfoil、1×4mm²针孔、适配器法兰及阀门开关。
图6. 用于MST的紧凑型ME-SXR 探测器。
图7. 在二维探测器上以恒定Ec=4keV获得的首亮度分布数据。
2018年春季安装系统后采集的首批数据如图7所示。这些数据来自编号1180406081的实验，采用10ms积分时间，探测器阈值恒定设置为4KeV，记录了PPCD 放电初期500KA的电流。正如前文所述，对能量超过4KeV的光子进行积分处理，能有效采样连续谱，避免Al线发射造成的“污染”，从而更精准地测量温度分布。数据中的尖峰信号对应芯片间“像素”区域的数据，因此可轻松剔除。春季后续测试将优化针孔与探测器的几何结构，并采用低于2KeV的截止能量。
4. 结论
为MST- RFP 设计并制造了一款紧凑型ME- SXR 针孔相机，用于研究粒子输运、热输运及 MHD 稳定性物理。该新型诊断设备采用像素化探测器，每个像素的光子检测下限可独立调节，实现每像素10MHz的zui大计数率，并对强铝发射具有灵敏度。
1.5和2.4keV 。将同时在多个能量范围内测量局部X射线发射率 ，从而推断出Te,nAl和Zeff的一维同步剖面测量。预期的时间和空间分辨率分别为2 ms和<25px。
本文省略了部分数据模拟的数据，如有需要可以联系我们获取。（lucas.li@shbrightstars.com）
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参考文献：
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