탄젠셜 연 X-선 핀홀 카메라는 토카막 플라즈마의 연 X-선 방출광을 탄젠셜 방향으로 측정하는 진단장치이다. 탄젠셜 연 X-선 핀홀 카메라를 이용해 플라즈마 내의 MHD 불안정성, 토로이달 방향의 비대칭성, small-scale의 높은 m-모드, 전자온도의 빠른 요동현상 등을 연구할 수 있다. 본 연구를 위해 핵융합 분야에서는 세계 최초로 2-D parallel readout 방식의 duplex MWPC 검출기를 이용한 탄젠셜 X-선 핀홀 카메라 진단계를 개발하였다. Parallel 방식의 MWPC 시스템은 시공간 분해능이 뛰어날 뿐 아니라, 중성자에도 매우 강하며, 제작도 상대적으로 용이하다. 또한 duplex 방식의 MWPC를 개발하여 연 X-선 방출광뿐만 아니라 전자온도도 측정할 수 있기 때문에 빠른 시간 분해능을 바탕으로 전자온도의 요동현상도 연구할 수 있다.
본 연구를 통해 개발한 KSTAR용 탄젠셜 X-선 핀홀 카메라는 50 X 50 채널의 MWPC 두 세트로 구성되어 있으며, 2 cm 미만의 공간 분해능을 가지고 수평방향으로 플라즈마의 노심부터 노벽까지 전 영역의 측정이 가능하다. 또한 parallel readout 방식의 MWPC를 제작하여 기존의 delay 방식의 시간 분해능(최대 100 Hz)보다 최대 1000배 이상의 빠른 시간 분해능(최대 100 kHz)을 가질 수 있게 되었다. MWPC 검출기 앞에 76 um 두께의 베릴륨 및 200 um, 400 um 두께의 카본 필터를 설치하여 3 keV 이상의 X-선 영역만 측정할 수 있도록 제작하였고, 계수 기체로는 Ar 78%, C2H6 20%, CF4 2%의 아르곤 혼합 기체를 사용하였다. 2 mm 간격의 양극 전극선 기판과 1 mm 간격의 음극 전극선 기판을 제작하였고, 신호 증폭을 위한 프리앰프 시스템을 제작하였다. 완성된 MWPC 시스템을 X-선 선원을 이용하여 여러 테스트를 수행하였다. 1400 V - 1700 V의 운전전압이 기체검출기의 비례영역에 해당함을 확인하였고, 운전전압을 1650 V로 결정하였다. 또한 전압에 따른 프리앰프 시스템이 9 V - 12 V에서 안정적인 증폭률을 나타냄을 확인하여, 11 V를 운전전압으로 결정하고 개별 프리앰프마다의 증폭률을 상대보정값으로 측정하였다. 또한 빠른 시간 분해능을 위한 parallel readout 방식의 다채널 신호처리용 DAQ 시스템을 구축하였다. 각 채널당 100 MS/s의 시간분해능을 가지는 4 채널 100 MS/s flash ADC module을 제작하였고, 총 200채널에 해당하는 6 crate, 50 FADC module을 제작하였다. 신호 처리를 위해 실시간 모니터용 모드 및 pulse height의 값을 측정하는 신호 처리 프로그램을 개발하였고, 실시간 pulse 트리거 처리 기술을 개발하여 KSTAR 플라즈마가 켜질 때만 데이터를 측정할 수 있도록 하였다.
실험에 앞서 제작한 TXPC 검출기를 기반으로 플라즈마에서 나오는 연 X-선에 대한 반응도를 계산하였다. 투과율이 0.05% 되는 지점을 에너지 cut-off 지점으로 생각할 때, 필터의 영향으로 인해 1st MWPC는 3.7 keV - 20 keV 에너지 영역 대의 연 X-선을 측정할 수 있고, 2nd MWPC는 4.7 keV - 20 keV 에너지 영역 대의 연 X-선을 측정할 수 있음을 확인하였다. Duplex MWPC의 double-foil technique 원리에 기반한 최적화된 현 설계에서의 전자온도와 방출광 세기의 비에 대한 관계식을 구하였다. 또한 선 적분된 결과로부터 국소 영역의 연 X-선 방출광의 세기를 측정하기 위해 KSTAR 탄젠셜 X-선 핀홀 카메라에 맞는 행렬 기반의 역산법을 개발하였고, 팬텀 테스트를 통해서 재구성 결과가 팬텀 결과와 매우 일치함을 확인하였다.
TXPC body와 duplex MWPC를 2012년 KSTAR 캠패인을 위해 KSTAR B-port에 설치하여 KSTAR 실험을 수행하였다. 2-D 이미징에 앞서 각 채널별로 측정된 연 X-선 결과의 실효성을 확인하기 위해 sawtooth 안정화 실험결과를 토대로 ECE 진단계 측정 결과와 비교 분석하였다. 두 진단장치의 결과를 분석한 결과 sawtooth 주기가 바뀌는 시점 및 변화하는 주기까지 완벽하게 일치하였다. 이들의 결과를 바탕으로 TXPC가 KSTAR 플라즈마의 연 X-선을 정확하게 측정하고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 연 X-선 방출광의 2차원 영상을 통해서 sawtooth crash가 일어나는 동안 플라즈마 중심부의 heat이 바깥으로 빠져나가 inversion radius 안쪽의 방출광은 줄어들고, 바깥쪽의 방출광은 늘어나는 것을 확인하였다. 또한 vertical displacement event 실험에서 TXPC로 측정한 플라즈마 연 X-선 방출광 분포의 움직임은 RT-EFIT 데이터 기반의 magnetic flux surface와 visible 카메라 결과와 일치하였다. 위 결과들을 바탕으로 KSTAR 용 탄젠셜 X-선 핀홀 카메라를 성공적으로 제작하였으며, KSTAR 실험을 통해 연 X-선 방출광의 2-D 영상을 성공적으로 측정하였음을 확인하였다.
