Сцинтилляционные спектрометры нейтронного и гамма излучения для диагностики термоядерной плазмы

• Автор: Кащук, Юрий Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.08, 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Троицк
• Количество страниц: 198 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Термоядерная плазма токамака как источник нейтронного и гамма

излучений

1.1 Термоядерные реакции с образованием нейтронов

1.2 Сечения и скорости реакций синтеза.

1.3 Энергетический спектр термоядерных нейтронов.

1.4 Погрешность определения ионной температуры плазмы из анализа

энергетического спектра термоядерных нейтронов.

1.4.1 Погрешность ТС при измерениях классическим спектрометром.

1.4.2 Погрешность определения ТС при измерениях сцинтилляционным

спектрометром нейтронов
1.5 Механихмы, влияющие на формирование нейтронного поля термоядерной
установки
1.6 Механизмы образования жесткого гамма излучения в токомаках.
Выводы к Главе 1
Глава 2 Исследование характеристик ионизирующего излучения термоядерной
плазмы токамака РТи
2.1 Токомак Ш и модернизация диагностических систем регистрации
нейтронного и гальма излучений.
2.2 Исследование убегающих электронов на токомаке РТС системой
спектрометров гаммаизлучения
Выводы к Главе 2.
Глава 3 Развитие ецшггилляционных методов спектрометрии термоядерных
нейтронов
3.1 Сцинтилляционные детекторы, применяемые в термоядерных
исследованиях
3.1. 1Неорганические сцинтилляторы.
3.1.2 Органические сцинтилляторы.
3.2 Физические основы регистрации нейтронов с использованием
органических сцинтилляторов
3.2.1 Функция отклика спектрометра и эффекты, влияющие на е
формирование.
а нелинейность световыхода и краевые эффекты
б многократное рассеяние на водороде и другие реакции.
в энергетическое разрешение.
г суммарная функция отклика.
3.2.2 Эффективность регистрации
3.3 Спектрометрия термоядерных нейтронов с использованием
органических сцинтилзяторов
3.3.1 Разделение сигналов нейтронного и гаммаизлучения по форме
импульсов
3.3.2 Сцинтилляционный спектрометр с кристаллом стильбеиа
3.3.3 Оценка предельного быстродействия детектора с разделением
сигналов нейтронного и гаммаизлучения по форме импульсов
3.3.4 Оценка предельного энергетического разрешения органических
сцинтилляторов.
3.3.5 Методика измерения спектров термоядерных нейтронов.
а Градуировка энергетической шкалы спектрометра нейтронов с органическим сцинтиллятором
б Определение энергетического порога
в Восстановление энергетического спектра нейтронов
3.4 Особенности измерений термоядерных нейтронов спектрометром с органическим сцинтилляторам,
3.4.1 Устройство сцинтилляционного спектрометра нейтронов для
измерений на токамаках
3.4.2 Экспериментальная проверка характеристик детекторов
а Измерения на нейтронных генераторах НГМ и ИНГ ГНЦ РФ
ТРИНИТИ, РФ.
б Измерения на нейтронном генераторе , Италия.
в Измерения на токамаке Тоге СЕА, Франция.
г Измерения на нейтронном генератор I, Япония.
Выводы к Главе 3.
Глава 4 Исследование характеристик нейтронного излучения термоядерной
плазмы детекторами с органическими сцинтилляторами
4.1 Спектрометрия нейтронов с помощью сцинтилляционного детектора 3 на токамаке .
4.2 Измерение нейтронной эмиссии плазмы токомака .
4.3 Нейтронные измерения детектором с кристаллом стильбеиа на токамаке
4.3.1 Многоканальный монитор профиля нейтронного потока.
4.3.2 Учет ослабления и рассеяния нейтронов
4.3.3 Особенности измерений в экспериментах с максимальным
нейтронным выходом
4.3.4 Измерение профиля нейтронной эмиссии плазмы токамака
Выводы к Главе
Глава 5 Исследование характеристик нейтронного излучения термоядерной
плазмы в тритиевых экспериментах на токамаке
5.1 Применение нейтронного спектрометра с кристаллом стильбеиа в тритиевых экспериментах на токамаке .
5.1.1 Постановка нейтронных измерений спектрометром с кристаллом
стильбеиа на токамаке .
5.1.2 Результаты измерений спектрометром с кристаллом стильбеиа во
время тритиевых экспериментов на токамаке .
5.2 Применение системы цифрового разделения сигналов 3 в тритиевых экспериментах на токамаке .
5.2.1 Устройство системы цифрового разделения сигналов для измерений
на токамаке .
5.2.2 Первые результаты измерений детектором 3 с системой цифрового разделения сигналов во время тритиевых экспериментов на
токамаке
Выводы к Главе
Приложение
Приложение
Кинематика упругого рассеяния нейтронов.
Энергетическое распределение ядер отдачи
Приложение
Приложение
Список литературы


Необходимость нейтронной томографии при определении профиля нейтронной эмиссии ИТЭР, существенно возрастает в связи с тем, что изза наличия популяции быстрых ионов в зажигаемой плазме интенсивность нейтронного источника может быть не постоянной на заданной магнитной поверхности, а также поскольку в экспериментах с зажиганием ожидается проявление коллективного поведения рождающихся альфа частиц и быстрых ионов. Особенно отчетливо это может проявиться во время дополнительного нагрева плазмы на ионноциклотронной частоте или при инжекции пучка нейтралов энергия нагревного пучка нейтралов Е 1 МэВ, что существенно выше температуры плазмы . Альфеновских мод АЕ и при так называемых v i разрядах с сильно отрицательным магнитным широм. Как показали недавние результаты пространственных нейтронных измерений на токамаке , популяция быстрых частиц влияет на двумерное распределение профиля плазменного источника термоядерных нейтронов. Нейтронные детекторы наиболее подходящие для применения в радиальном и вертикальном многоканальных нейтронных коллиматорах ИТЭР и их основные характеристики приведены в таблице В. Практически все нейтронные детекторы мониторы нейтронного потока, представленные в таблице В. В органических сцинтилляторах стильбен и 3 это обеспечивается за счет анализа формы импульсного сигнала, в алмазных детекторах, сцинтилляторах и камерах деления с за счет амплитудной дискриминации сигналов импульсы от гаммаквантов имеют существенно меньшую амплитуду. Среди существующих нейтронных детекторов, используемых для диагностики горячей плазмы, выделяются органические сцинтилляционные детекторы, поскольку они могут работать как компактные спектрометры термоядерных нейтронов. Их применение в радиальном и вертикальном многоканальных нейтронных коллиматорах ИТЭР обеспечит измерение ионной температуры плазмы, пространственного распределения быстрых дейтонов и тритонов, профиля полоидального вращения плазмы. В отличие от других типов компактных спектрометров термоядерных нейтронов на основе кремниевых и алмазных ППД, органические сцинтилляторы обеспечивают широкий динамический диапазон измерений за счет быстрого времени высвечивания и возможности существенного изменения эффективности детекторов и возможность одновременного измерения спектров и нейтронов. Таблица В. При максимальной плотности потока нейтронов 5x9 л нейтр. Реализация новых методов и применение созданных спектрометров в экспериментах на современных действующих токамаках Франция, Италия, Англия, Япония показали что, разработанные методики практической спектрометрии ионизирующего излучения термоядерной плазмы найдут широкое применение при создании нейтронной диагностики ИТЭР и будут достойным вкладом нашей страны в диагностический комплекс термоядерного токамакареактора. Поэтому исследования в области спектрометрии нейтронного и гамма излучения термоядерной плазмы, создание новых приборов и методов измерений, несомненно, являются актуальной научной задачей. Цель настоящей работы разработка и практическое применение сцинтилляционных спектрометров нейтронного и гамма излучения для исследования характеристик термоядерной плазмы токамаков. Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию докладывались и обсуждались на научных семинарах в ГНЦ РФ ТРИНИТИ, РНЦ Курчатовский институт и Физикотехническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, а также на научных семинарах зарубежных лабораторий СЕА Франция, Кадараш, Италия, Фраскати, 1 Япония, Нака и Токаймура, Англия, Кэлхэм, V Финляндия, Хельсинки и Ii Чехия, Ржеж. ИТЭР, в которой автор является представителем России. Результаты и материалы, изложенные в диссертацию, опубликованы в ведущих журналах по экспериментальной ядерной физике и физике плазмы I , vi iii I, Приборы и техника эксперимента, i i i ii i, i и других. Всероссийская конференция по диагностике высокотемпературной плазмы, Троицк Звенигород, июня г. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из наименований. Принята сквозная нумерация литературных ссылок. Параграфы и рисунки нумеруются по главам. Диссертации содержит 7 страницы текста, включающего таблиц и рисунка и приложение на страницах.