기체전자증폭기(GEM) 핀홀 카메라 진단계를 이용한 KSTAR 플라즈 마의 접선방향 2차원 재구성 영상

Abstract

핵융합 플라즈마 진단을 위해 개발된 기체전자증폭기 검출기를 [1] 기반으로 한 접선방향 X선 핀홀 카메라를 이용 하여 연 X선 영역(5 – 15 keV)의 토카막 접선방향 플라즈마 영상을 성공적으로 획득하였다. 본 진단계를 활용한 연구목표는 토로이달 방향으로 나타나는 낮은 m-모드, 노심 MHD 불안정성, 플라즈마 평형상태 재구성, 국소 가 열효과 또는 수송 현상 등을 관측하는 것이다. KSTAR에 설치된 이 카메라는 검출기 크기가 상대적으로 작고 (20x24x10 cm3), 에너지 분해능이 높으며, 다른 종류의 기체를 사용하면 광자 에너지 범위를 선택적으로 바꿀 수 있다는 특징이 있다. 특히 카메라의 위치를 전후 좌우 및 위 아래로 바꿀 수 있어서 플라즈마에 대한 시야각을 다양 하게 변화시킬 수 있는 유연성은 이 시스템의 가장 큰 장점이다. 검출기를 가장 뒤로(또는 앞으로) 위치시켰을 때 공 간 해상도는 3.3 cm(9.6 cm) 이며 시간 해상도는 최대 1 ms이다. 사용된 혼합기체는 7:3 비율의 알곤과 이산화탄소 이며 이는 15 keV 까지의 광자를 검출해낼 수 있다. 이 X-선 카메라를 통해 얻어진 선적분된 2차원 영상으로부터 폴로이달 단면의 영상을 얻어내기 위해 Philips-Tikhonov 알고리즘을 [2] 통하여 접선방향 재구성이 수행되었다. 인위적으로 만든 D자 모양의 플라즈마로 팬텀 테스트를 실시하였고, 실시간 EFIT 코드로부터 얻어진 평형상태 영 상과의 비교를 통해 재구성의 신뢰성을 검증하였다. 2015 KSTAR 실험 기간 동안 GEM 핀홀 카메라로부터 톱니진 동, 전자공명가열, 플라즈마 수직이동 현상 및 알곤 불순물 효과 등을 관측하였으며, ECE 진단계, VUV 분광기 및 가시광 영상 등의 다른 진단계의 결과와 비교하여 재구성된 영상의 타당성을 확인하였다.