ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННОГО КОМПОНЕНТА ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ МЕТОДАМИ НЕЙТРОНОМ И КОРПУСКУЛЯРНОЙ ДИАГНОСТИК С ПРИМЕНЕНИЕМ АЛМАЗНЫХ ДЕТЕКТОРОВ
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
I. СОЗДАНИЕ МЕТОДОВ СПЕКТРОМЕТРИИ ДТ НЕЙТРОНОВ И БЫСТРЫХ АТОМОВ ПЕРЕЗАРЯДКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛЬНО РАЗРАБОТАННЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИЗ ПРИРОДНОГО АЛМАЗА.
1.1 Краткий обзор основных методов спектрометрии ДТ нейтронов
1.2. Свойства и принцип работы детекторов из натурального алмаза.
1 3. Создание нейтронных спектрометров на базе алмазных детекторов и исследование их энергетического разрешения на нейтронных генераторах СНЕГ-13. Ї>Ю (Италия) и БМБ (Япония).
1.4. Создание метода спектрометрии быстрых атомов перезарядки с использованием специально разработанных детекторов из природного алмаза 1 5. Оптимизация схем электроники спектрометров 1 6 Регистрация спектров деГгтсрий-тритисвых (ДТ) нейтронов на нейтронных генераторах ЕЫв и ГИБ.
2
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННОГО КОМПОНЕНТА ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ НА КРУПНЫХ ТОКАМАКАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДЕТЕКТОРОВ ИЗ ПРИРОДНОГО АЛМАЗА (АД) В КАЧЕСТВЕ СПЕКТРОМЕТРОВ НЕЙТРОНОВ
2.1. Исследования функций распределения дейтерия и трития в ДТ эксперименте на Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR).
2.1.1. Организация диагностического комплекса.
2.1.2. Регистрация анизотропии функций распределения ионов дейтерия и трития при нейтральной икжекции (НИ)
2.1.3. Измерение средних тангенциальной и поперечной энергий ионов нагревного пучка при НИ
2.1.4. Исследование функции распределения и удержания резонансных тритонов при ионном циклотронном нагреве
2.2. Исследование спектров ДТ и эволюций потоков ДТ и ДД нейтронов в лсйтернсвых экспериментах на токамакс JT-60U (Япония)
2.3. Исследования функций распределения ионов, динамики потоков ДТ нейтронов и тороидального вращения плазмы во время трнтиевого эксперимента (DTE1) на Joint European Torus (JET)
2.3 .1 Организация диагностики.
2 3 2 Измерения ионной температуры и тороидального вращения.
2.3.3. Оценка средней энергии пучковых ионов 2 3 4 Измерения во время ИЦН
2.3.5. Регистрация нагрева ионов а - частицами и knock-on
3
нейтронов.
2 3 6. Измерения сдвига cneicipa ДТ нейтронов, связанного с тороидальным вращением плазмы.
2.3.7. Регистрация динамики выхода ДТ нейтронов.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ БЫСТРЫХ ИОНОВ В ПЛАЗМЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛМАЗНОГО ДЕТЕКТОРА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СПЕКТРОВ И ПОТОКОВ АТОМОВ ПЕРЕЗАРЯДКИ
3.1. Краткое введение о применении методов корпускулярной диагностики в исследованиях на токамаках
3.2. Исследование эффективности нагрева резонансных протонов, их перераспределения при срыве пилообразных колебаний и диффузии при ИЦН на TFTR.
3.3. Исследование энергетических спектров ионов нагревного пучка в плазме сгелларатора Large Helical Device (LHD)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
4
ВВЕДЕНИЕ
Для оптимизации зажигания и контроля горения в будущем термоядерном реакторе необходимо вести измерения широкого диапазона величин, характеризующих плазму. Некоторые из этих величин - такие как. выход нейтронов, термоядерная мощность и ее просгранственное распределение, профили ионной температуры, давления и вращений плазмы практически полностью или в основном определяются ионными компонентами плазмы. Поэтому значение измерений, а в ряде случаев и контроля пространственных и энергетических распределений термолизованных ионов дейтерия и трития, а-частиц и быстрых ионов, создаваемых в плазме нейтральной инжекциси (НИ) и ионным циклотронным нагревом (ИЦН), невозможно переоценить. Особенно актуальной как в токамачной, так и, особенно, в стеллараторной концепциях будущего термоядерного реактора является проблема удержания альфа-частиц. Эксперименты последних лет на токамаках TFTR, JET, JT-60U и стеллараторе LIID показали, что время жизни частиц в плазме зависит от профиля запаса устойчивости плазмы, профиля ввода мощности дополнительного нагрева, магнитно-гидродинамической активности плазмы. Таким образом, необходимы
дальнейшие интенсивные исследования поведения быстрых ионов в тороидальной плазме.
В связи с высокими потоками дейтерий - тритиевых (ДТ) нейтронов измерения вышеназванных характеристик реакторной плазмы и исследования поведения энергичных ионов могут быть наилучшмм образом проведены методами нейтронной диагностики Ценную информацию о функциях распределения а-частии и других быстрых ионов, соотношении концентраций дейтерия и трития может обеспечить корпускулярная диагностика По крайней мере на этапе экспериментальных реакторов необходимо проведение измерений многоканальными спектрометрическими системами, обеспечивающими высокое энергетическое, пространственное и временное разрешение [1,2]. Это выдвигает требование к компактности отдельных каналов измерительных систем, их способности обеспечивать высокое энергетическое разрешение при высоких загрузках. Высокие потоки радиации на термоядерном реакторе определяют требования к высокой радиационной стойкости применяемых измерительных устройств.
Целью настояшей работы является создание новых методов диагностики высокотемпературной плазмы - регистрации спектров и динамики потоков ДТ нейтронов и энергичных атомов перезарядки с применением детекторов из природного алмаза, физическое обоснование этих методов, развитие алгоритмов обработки экспериментальных данных, и исследование ионного компонента термоядерной плазмы на крупнейших современных токамаках и стеллараторе с применением созданных методов
6
Автор выносит на защиту.
- метод регистрации спектров и динамики потоков ДТ нейтронов с применением детекторов из природного алмаза;
- метод регистрации спектров и динамики потоков энергичных атомов перезарядки с применением алмазных детекторов;
• создание и абсолютная калибровка спектрометров ДТ нейтронов и атомов перезарядки на базе алмазных детекторов на нейтронных генераторах, крупнейших токамакач и стсллараторс.
- результаты исследований поведения ионов дейтерия и трития при НИ и ИДИ на токамаках TFTR, JET и JT-60U,
- результаты исследований поведения быстрых протонов при ИЦН на TFTR и НИ на LHD
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Международных совещаниях "Диагностика для Международного Экспериментального Термоядерного Реактора” (Варенна, 1996. 1998), 23-й Европейской конференции о физике плазмы и УТС (Киев. 1996). 16-й Конференции МАГАТЭ по Термоядерной Энергии (Монреаль, 1996), 5-ом Международном симпозиуме по алмазным материалам (Париж, 1997), Первом Всероссийском симпозиуме по твердотельным детекторам ионизирующего излучения (Екатеринбург. 1997). Всероссийской конференции “Алмазы в технике и электронике” (Москва, 1997), 9-ом Совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Санкт-Петербург, 1997), Симпозиуме по ядерной науке (Альбуксрк. 1998), 12-ой Конференции по дагностикс высокотемпературной
плазмы (Принстон, 1998). Конференции по физике плазмы и У ТС Японского физического сообщества (Цукуба, 1998)
Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в журналах. "Вопросы Атомной Науки и Техники”,“Nuclear Instruments and Methods”, “Fusion Engineering and Design”, “Review of Scientific Instruments”, “IEEE Transaction on Nuclear Science”, "Физика Плазмы”, "Physics of Plasma", сборниках “Диагностика для экспериментального термоядерного реактора” и книге “Природные алмазы России”.
Диссертация состоит из введения, грех глав, заключения и списка цитируемой литературы В главе 1 изложено создание меголов спектрометрии ДТ нейтронов и быстрых атомов перезарядки с применением специально разработанных летекторов из природного алмаза (АД). В Главе 2 представлены результаты исследований ионного компонента термоядерной плазмы на крупных токамаках с применением детекторов из природного алмаза в качестве спектрометров нейтронов. Глаьа 3 представляет результаты работ по исследованию поведения быстрых ионов в плазме с использованием алмазного детектора для регистрации спектров и потоков атомов перезарядки. В Заключении сформулированы основные результаты работы.
8
1. СОЗДАНИЕ МЕТОДОВ СПЕКТРОМЕТРИИ ДТ НЕЙТРОНОВ И БЫСТРЫХ АТОМОВ ПЕРЕЗАРЯДКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛЬНО РАЗРАБОТАННЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИЗ ПРИРОДНОГО АЛМАЗА
1.1. Краткий обзор основных методов спектрометрии ДТ нейтронов.
На будущем термоядерном реакторе с удержанием плазмы в замкнутой тороидальной магнитной конфигурации многоракурсная нейтронная спектрометрия даст информацию о функциях распределения дейтерия, трития и а-частиц при их рождении на различных магнитных поверхностях на этапах зажигания и горения плазмы Она будет чрезвычайно важна для оптимизации горения и исследований механизмов переноса и удержания высокоэнергнчных ионов, измерений полоидалыюго вращения плазмы Тангенциальная нейтронная спектрометрия может обеспечить измерение скорости тороидального вращения плазмы, а также средние тангенциальные скорости дейтонов и тритонов во время несимметричных НИ и ИЦН
Различные типы нейтронных спектрометров (3-11) были предложены для существующих и будущих термоядерных установок. Примером спектрометра ДД нейтронов, который предлагается и для будущего реактора, является времяпролетнын (ToF) спектрометр [3], используемый на JET
Предлагаемые спектрометры ДТ нейтронов можно разделить на две группы, компактные и большие системы.
9
Одним из наиболее перспективных компактных спектрометров ДТ нейтронов является созданным автором и обсуждаемый в настоящей диссертации спектрометр на базе детектора из природного алмаза (АД) [4,5].
Концепция другого компактного спектрометра на базе использования детектора, состоящею из ортогональных друг другу и потоку нейтронов плоскостных массивов оптических волокон, предложена в [6] Принцип работы этого прибора основан на регистрации энергии прилетевшего нейтрона по регистрации длины пробега и угла вылета протона отдачи посредством регистрации света из оптических волокон, пересеченных протоном Быстрый отклик сии клиширующих оптических волокон позволяет надеяться на полезную скорость счета 500 - 800 кГи при максимальной загрузке - 10 МГц.
Среди спектромегроь с большими размерами выделяются следующие системы, представленные ниже
Во врсмяпролётном спектрометре (ТоБ) [7] налетающий нейтрон рассеивается на тонкой полиэтиленовой фольге и с определенной вероятностью детектируется толстым волоконно-оптическим детектором, расположенным под углом 45° в нескольких метрах от нейтронного потока. Протоны отдачи регистрируются параллельно тонким волоконно-оптическим детектором, расположенным в нескольких сантиметрах от нейтронного пучка. Время задержки между коррелирующими актами регистрации протона и нейтрона фиксируется и по нему определяется энергия нейтрона. Энергетическое разрешение данной системы связано с ее размерами.
ю
В магнитном спектрометре протонов отдачи (MPR) [8] нейтроны посредством упругого рассеяния в тонкой полиэтиленовой фольге создают протоны отдачи. Эти протоны далее отклоняются магнитным полем и затем детектируются рядом ецннтлляиионных детекторов, расположенных на траекториях, соответствующих различным энергиям протонов. Энергетическое распределение нейтронов восстанавливается из измеренного спектра протонов отдачи Этот спектрометр успешно использовался на JET во время тритисвых экспериментов в 1997 году Его преимуществом является способность обеспечивать очень высокую полезную загрузку, а недостатком - очень большие размеры и вес.
В спектрометре протонов отдачи (PR) [9]. созданном в Harwell laboratory' и успешно использовавшимся во время трнтиевых экспериментов на JET. используется упругое рассеяние нейтрона на тонкой кольцевой полиэтиленовой плёнке Энергия протонов отдачи измеряется кремниевым детектором, размещенным в нескольких сантиметрах под углом х/18 по отношению к нейтронному пучку Заланность геометрии позволяет определить энергию нейтронов.
В спектрометре протонов отдачи с одновременной регистрацией времени пролета рассеянных нейтронов (PR-ToF) (10) энергия протонов регистрируется кремниевыми детекторами, расположенными под углом л/9 радиан в 5 см от практически параллельного потока неГпронов, падающего на полиэтиленовую фольгу. Время пролета соответствующих зарегистрированным протонам нейтронов регистрируются сцинтилляционными детекторами, расположенными ~
II
в 1 м от нейтронного пучка Энергия налегаюшнх нейтронов воссганавливаегся по энергиям протонов отдачи и времени пролета соответствующих нейтронов. Прототип такого спектрометра (TANZY) был успешно применен во время тритиевых экспериментов на JET
В создаваемом спектрометре протонов отдачи с микроканальными коллиматорами [11J используется (п.р) рассеяние на тонкой и плоской полиэтиленовой пленке Энергия протонов отдачи измеряется большим
Таблица I. Основные характеристики спектрометров ДТ нейтронов
Тип спектрометра Эффективность (см2) Энергетическое разрешение (%) Размеры > вес (м3 / кг)
АД [4.5] 1 * 3 X 10 і 1 2 10* / 0 01
Волоконно- оптический [6] - 3 х ю' -3 3 компактный / < 1 КГ
ToF [7] - 10‘3 - 1 6 1x1x4 / <300
MPR [8] 5 х 10'J 2.5 1x2 5x1 /21000
PR 19) Ю-* 2.2 0.4x0.4x2/200
PR-ToF [10] ю-5 1.5 2x2x1 /<400
PR с микроколлиматорами (11) - 10-S -2 0.2x02x0.4/<600
12
количеством кремниевых детекторов, размещенных под углом я/6 радиан на расстоянии 15 см от нейтронного пучка. Для задания угла вылета регистрируемых протонов используется микроколлимаиионная пластина
Важнейшие характеристики этих спектрометров представлены в Таблице 1 Таблица 1 демонстрирует потенциальные возможности создания многоканальных в пространстве систем для спектрометрии ДТ нейтронов на будущем термоядерном реакторе с использованием детекторов из природного алмаза
1.2. Свойства и принцип работы детекторов ні натурального
алмаза.
Впервые импульсы электрического сигнала с детектора из природного алмаза, обусловленные дискретной радиацией были зарегистрированы Сеттером (Setter) в 194] году. В последующие годы усилия ряда научных лабораторий и. прежде всего ФИАН им Лебедева были сконцентрированы на исследованиях важных для создания дегеюоров свойств природного алмаза и применении ионной имплантации для изготовления электрических контактов [12], снимающих проблему “поляризации’' заряда в детекторе
Детекторы из наїурального алмаза (ЛД) представляют из себя систему металл - полупроводник -металл (см Рис 1), где металл есть напыленный контакт (в нашем случае Au. Ti/Pt/Au или графит), а изолятором является чистый природный алмаз іруппьі-Па (12-14). Толщина металлического или графитового контакта определяется назначением детектора и может быть в пределах 10-500 нм
13
Алмазные пластины, используемые для изготовления детекторов имеют размеры площадь 5-50 мм2, толщина Ь - 50 - 500 цм. Чистый природный алмаз [15,16] является очень интересным материалом благодаря ряд)' его выдающихся свойств Он является одним из наиболее простых кристаллических изоляторов. Большие величина запрещенной зоны (5.5 эВ), удельное сопротивление (>10|} Ом м), напряжение пробоя (107 В см1), скорости дрейфа (у*,,* -2/1.5 * 107 см/с) и времена жизни (10-30 не для дырок и 15-50 не для электронов [17,18]) носигслей заряда, являются чрезвычайно важными свойствами отобранного натурального алмаза группы-На при его использовании в качестве материала для изготовления радиационных детекторов. Чрезвычайно важной характеристикой материала, используемого для изготовления спектрометрических детекторов, является длина сбора заряда, равная произведению скорости дрейфа и времени жизни носителей заряда (т,.,,)
б(.ь = V*. * т,.„ » Мс.Ь * Е * т,А (1)
где. - подвижность электронов и дырок, а Е - приложенное собирающее электрическое поле
Длина сбора заряда представляет расстояние внутри чувствительного элемента детектора, при прохождении которого число носителей заряда уменьшается в с раз. При условии беэ, » Ь и омичности контактов практически весь заряд будет собран При создании детекторов с неполным сбором заряда (сЦ.» й Ь) особое внимание уделяется решению проблемы устранения эффекта зарядовой поляризации детектора, связанной с формированием объемного заряда
В Таблице 2 представлены наиболее важные свойства отборных природных алмазов группы Па в сравнении с кремнием и одной из лучших на сегодняшний лень химически осажденной (С'\Т>) алмазоподобной пленкой [19].
Таблица 2. Свойства природного алча га и других детекторных материалов
Свойство Природный алмаз СУО алмаз 51
Атомный вес 6 6 14
Плотность (г/см4 3.5 3.5 232
Теплопроводность (Вт м' К'1) 2000 150
Ширина запрещенной зоны (эВ) 5.5 5.5 112
Удельное сопротивление (Ом X«} > 10й > 10й 2x10}
Напряжение пробоя (В см'1) 107 10' 10-'
Диэлектрическая константа 5.6 5.6 11.7
Энергия на создание электронно-дырочной пары (эВ) 132 132 36
Мобильность- электронов 2400 - 500 1500
дырок (ем' В'' сек'1) 2100 — 500 500
Максимальная скорость дрейфа электронов 2.2*Ю7 5x106 107
дырок (см сек'1 ) 2 хЮ1 5x10* 3 хЮА
Время дрейфа носителей (нсек) 10-30 1 10*
Длина сбора заряда (рм) 3300 150 иГ
Диапазон рабочих температур 100-450 К
15
- Київ+380960830922