Diagnostika plazmatu založená na detekci fúzních neutronů

1. Diagnostika plazmatu založená na detekci fúzních neutronů Ondřej Šíla Vedoucí práce: Ing. Daniel Klír, Ph.D.

2. Zadání práce • Seznámit se s principem Z-pinče. • Poznat základy teorie fúzních D-D srážek. • Seznámit se s principem neutronových scintilačních detektorů. • Zpracovat a vyhodnotit data získaná na zařízení PF-1000.

3. Obsah • Z-pinč efekt • Detekce neutronů fúzního původu • Scintilační detektory • Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF

4. Z-pinč efekt

5. 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 .

6. Z-pinč efekt Komprese proudového sloupce při Z-pinč efektu.

7. Z-pinč efekt • Zákon zachování energie – energie vynaložená pro kompresi se projeví vzrůstem energie uvnitř. → zvýšení tepelné energie částic a vzrůst teploty.

8. 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

9. 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?

10. Z-pinč efekt Bennetova podmínka 1) 2)

11. 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.

12. Z-pinč efekt Symetrická nestabilita Nesymetrická nestabilita

13. Z-pinč efekt Plazmatický fokus

14. Detekce neutronů fúzního původu

15. 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 + 2n Q = (3,8 (He) + 17,6 (n) ) MeV

16. Detekce neutronů fúzního původu • 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.

17. Detekce neutronů fúzního původu Spektrum kinetické energie neutronů • Úhel je úhel mezi nalétávajícím deuteronem (rychlý deuteron) a vyletujícím neutronem v laboratorní soustavě.

18. Detekce neutronů fúzního původu Závislost neutronové energie na úhlu mezi deuteronem a neutronem.

19. Scintilační detektory

20. Scintilační detektory • Dva hlavní typy • Časově integrální. • Časově rozlišené (o těch bude řeč). • Další důležité rozdělení 1) S organickou strukturou. 2) S anorganickou strukturou.

21. Scintilační detektory 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.

22. Scintilační detektory Detekce neutronů • Organickými scintilátory (uhlovodíková struktura pravděpodobněji zachytí neutron). • Princip emise fotonů stejný jako u detekce rentgenů (tj. excitace a deexcitace)

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

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

25. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF

26. PF-1000 (pohled zvnějšku)

27. Elektrody

28. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF Jedna z konfigurací scintilačních detektorů v našem měření

29. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF Metoda TOF • Z času letu částice do pevné vzdálenosti s od zdroje spočteme • hmotnost, pokud známe energii • energii, pokud známe hmotnost (náš případ)

30. Výstřel 6540

31. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF Výstřel 6540

32. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF • Ed║≈ 100 keV

33. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF Energetické spektrum u výstřelu 6540 – detektor v 0°

34. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF Energetické spektrum u výstřelu 6540 – detektor ve 180°

35. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF • Ze spekter vidíme, že • do detektoru v 0° vlétlo nejvíce neutronů o energii asi 2,9 MeV • 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.

36. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF Výstřel 8411

37. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF Výstřel 8411

38. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF • Kvalitativně potvrzena domněnka vyslovená u spekter.

39. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF • 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.

40. Závěr

41. 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°.

42. Výzkumný úkol • Prozatím se seznámit s interakcí neutronu se strukturou scintilátoru • Obnáší především seznámení se s MCNP kódem (Monte Carlo neutron particle simulation)