Diagnostika plazmatu založená na detekci fúzních neutronů

Diagnostika plazmatu založená na

detekci fúzních neutronů

Ondřej Šíla

Vedoucí práce: Ing. Daniel Klír, Ph.D.

Zadání práce

1. Seznámit se s principem Z-pinče.

2. Poznat základy teorie fúzních D-D srážek.

3. Seznámit se s principem neutronových scintilačních detektorů.

4. Zpracovat a vyhodnotit data získaná na zařízení PF-1000.

Obsah

1. Z-pinč efekt

2. Detekce neutronů fúzního původu

3. Scintilační detektory

4. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF

Z-pinč efekt

Z-pinč efekt

• Nechť plazmatem prochází proud ve směru rovnoběžném s osou z.

• Vytvoří se azimutální magnetické pole

.

• Berme, že proud protéká vnitřkem válce.

• Síla válec radiálně stlačí.

• Tuto sílu často interpretujeme jako magnetický tlak . mp

j

j B

B j

Komprese proudového sloupce při Z-pinč efektu.

Z-pinč efekt

• Zákon zachování energie – energie vynaložená pro kompresi se projeví vzrůstem energie uvnitř.

→ zvýšení tepelné energie částic a vzrůst teploty.

Z-pinč efekt

Z-pinč efekt

• Tedy čím větší proud, tím větší teploty uvnitř?

• To bohužel nelze říci, protože se vzrůstem magnetického tlaku roste i kinetický tlak částic uvnitř sloupce

kp n kT

Z-pinč efekt

• Při jistém proudu se pk a pm vyrovnají. Jakmile pk > pm, dojde okamžitě k expanzi.

• Bennetův rovnovážný pinč… pk = pm

• Dnes by stačilo na 10-6 s.

• Rovnost nastává pro jaký proud?

Z-pinč efekt

Bennetova podmínka

1)

2)

•

•

220 0

2 2 2 2 1

2 4

I r Idp I rp

dr R R R R

222 70

e e i i e(S)2 21 10

4

I rn kT n kT I N kT

R R

(Bennet 1934)

k

dpp j B

dr j B

02 2

0

2 2r

B I rI rI d H B

R R

H l

Z-pinč efekt

• V historii bylo několik pokusů o vytvoření Bennetova rovnovážného pinče.

• Doposud nikdy neskončily úspěchem.

• Vznik a nezadržitelný růst těžko odstranitelných poruch.

• Růst poruchy = nestabilita.

Z-pinč efekt

Symetrická nestabilita Nesymetrická nestabilita

Z-pinč efekt

Plazmatický fokus

Detekce neutronů fúzního původu


• D + T → 4He + n Q = (3,5 (He) + 14,1 (n) ) MeV

• D + D → 3He + n Q = (0,82 (He) + 2,45 (n) ) MeV

• T + T → 4He + 2nQ = (3,8 (He) + 17,6 (n) ) MeV


• Neutron je nejvhodnější k diagnostice – nemá náboj, a tedy neinteraguje s poli.

• Energeticky je zajímavá první a třetí reakce.

• Z hlediska diagnostiky nás zajímá D-D reakce…

• protože tritium je jedovaté, neutrony příliš rychlé.


Spektrum kinetické energie neutronů

• Úhel je úhel mezi nalétávajícím deuteronem (rychlý deuteron) a vyletujícím neutronem v laboratorní soustavě.

2

2αnn D D

n α n D

2Q, cos 1 sin

2

mmE E E

m m m E


Závislost neutronové energie na úhlu mezi deuteronem a neutronem.

Scintilační detektory


• Dva hlavní typy

1) Časově integrální.

2) Časově rozlišené (o těch bude řeč).

• Další důležité rozdělení

1) S organickou strukturou.

2) S anorganickou strukturou.


Detekce záření gama

• Rentgeny po vstupu do scintilátoru emitují fotony (nejčastěji excitací a deexcitací atomu scintilátoru).

• Dopanty

• Fotony jsou zachyceny fotodetektorem (fotokatoda).

• Zesílení ve fotonásobiči

• Elektrický impulz na výstupu je úměrný množství a energii kvant.


Detekce neutronů

• Organickými scintilátory (uhlovodíková struktura pravděpodobněji zachytí neutron).

• Princip emise fotonů stejný jako u detekce rentgenů (tj. excitace a deexcitace)


• Použito (a používáno) na PF-1000 ve Varšavě.


Scintilační detektor na zařízení PF-1000 (Bicron BC-408 + Hamamatsu H1949-51)

Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF

PF-1000 (pohled zvnějšku)

Elektrody


Jedna z konfigurací scintilačních detektorů v našem měření

Metoda TOF

• Z času letu částice do pevné vzdálenosti s od zdroje spočteme

a) hmotnost, pokud známe energii

b) energii, pokud známe hmotnost (náš případ)


2 2 2kn n 0n 0n 2

n2

11

1

E m c m c m cv

c

22s

kn n n n 2n

2 10,072

2 2

E sv c E m v m

m t

27n 0n 1,674927211 10 kgm m

Výstřel 6540


Výstřel 6540

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Čas/[ns]

Sign

ál fo

toná

sobi

če/[

rela

tivn

í jed

notk

a]

0°

180°


Poloha det. s/[m]Čas letu

neutronů/[ns]Energie

neutronů/[MeV]Ed║1-1/[MeV]

0° 84,22 3394+281 2,74 0,06

180° 84,22 3925+281 2,09 0,16

• Ed║≈ 100 keV


Energetické spektrum u výstřelu 6540 – detektor v 0°

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2,00 2,15 2,30 2,45 2,60 2,75 2,90 3,05 3,20 3,35

Energie neutronů/[MeV]

Poč

et n

eutr

onů

přís

luše

jící e

nerg

ii /[

rela

tivní

jedn

otka

/eV

]


Energetické spektrum u výstřelu 6540 – detektor ve 180°

0

5

10

15

20

25

30

1,85 2,05 2,25 2,45 2,65 2,85

Energie neutronů/[MeV]

Poč

et n

eutr

onů

přís

luše

jící e

nerg

ii /[

rela

tivní

jedn

otka

/eV

]


• Ze spekter vidíme, že

1) do detektoru v 0° vlétlo nejvíce neutronů o energii asi 2,9 MeV

2) a do detektoru ve 180° letělo nejvíce neutronů o energii cca 2,1 MeV

• Můžeme se tak domnívat, že energie na klesá pro většinu neutronů.

0 ,180


Výstřel 8411


Výstřel 8411

-0,050

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

0,400

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400

Čas/[ns]

Sign

ál fo

toná

sobi

če/[

rela

tivn

í jed

notk

a]

0°

90°

180°

320°


• Kvalitativně potvrzena domněnka vyslovená u spekter.


• Úhel rozmístění detektoru totožný s úhlem mezi rychlým deuteronem a vyletujícím

neutronem.

• Jeví se tedy, že většina deuteronů se sráží na ose fokusu a rychlý letí k pomalému ve směru od anody k detektoru v 0°.

→Fúzní srážky tedy nemohou být termální, protože jinak by každý ze směrů srážky byl stejně pravděpodobný.

• Privilegovaný směr srážky dává najevo, že rychlý deuteron způsobí fúzní srážku díky urychlení silným elektrickým polem, které pravděpodobně vzniká v místě nestability.

Závěr

Závěr

• Z průběhu časových signálů z jednotlivých detektorů lze ihned porovnat neutronové energie.

• Odhad energií deuteronů je Ed≈ 100 keV.

• Deuterony se převážně srážejí ve směru rovnoběžném s osou fokusu, přičemž pohyb rychlého deuteronu je ve směru od anody k detektoru v 0°.

Výzkumný úkol

• Prozatím se seznámit s interakcí neutronu se strukturou scintilátoru

• Obnáší především seznámení se s MCNP kódem (Monte Carlo neutron particle simulation)

Date post:	03-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	sydnee-moses
View:	40 times
Download:	0 times

Diagnostika plazmatu založená na detekci fúzních neutronů

Documents