ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ НЕЙТРОННОЙ ЭМИССИИ В МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ ГОЛ-3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ
НЕЙТРОННОЙ ЭМИССИИ В МНОГОПРОБОЧНОЙ
ЛОВУШКЕ ГОЛ-3
Ю.С.Суляев
1. Введение
2. Регистрация нейтронов детектором с цифровым PSD
3. Эксперимент с локальными детекторами
3.1. Зависимость интенсивности нейтронного потока от
координаты вдоль установки
3.2. Флуктуации нейтронного потока в отдельных ячейках
4. Заключение
Расположение ионных диагностик на установке ГОЛ-3
Сцинтилляционный
PSD детектор
Электронный пучок
Пузырьковые камеры
Ag активационный счетчик
Плазменный столб
Диодная камера
ускорителя У-2
Спектральная система
высокого разрешения
Приемник пучка
air
Перемещаемый сцинтилляционный детектор
Анализатор нейтралов
перезарядки
E
Быстрый нагрев ионов на установке ГОЛ-3
Измерения поперечного
давления плазмы
диамагнитным зондом
нейтроны
о.е
Измерения нейтронного
потока сцинтиляционным
детектором
PL5369
1
ne = (3,5±0,5) × 1014 cм-3
0
2
n e T e + n iT i
Измерение Ti по
допплеровскому
уширению профиля
линии D
Ti , кэВ
2
PL5369
1
0
2
× 1015 кэВ/см3
1
PL5369
0
0
100
200
300
400
500
Экспериментально обнаружен быстрый нагрев ионной компоненты плазмы.
Классический механизм передачи энергии через парные столкновения:
ei ~ 1мс >> эксп
Существует коллективный механизм передачи энергии от электронов к ионам.
Для подтверждения этого предположения создана нейтронная диагностика,
позволяющая наблюдать динамику нейтронной эмиссии во время инжекции пучка.
Устройство нейтронного детектора с цифровой
дискриминацией по форме импульса
Экспериментальный зал установки ГОЛ-3
Фотоумножитель
Фотоумножитель
Cцинтиллятор
(стильбен)
Запись сигнала:
ADC200, 5 нc, 8bit,
128К
Пультовая
PC
программа NEUTRON
Cцинтиллятор
(BGO)
Сценарий эксперимента:
Пуск АЦП происходит до начала инжекции пучка, запись
сигнала со сцинтилляционных
детекторов происходит в течение всего времени жизни
плазмы.
Далее
происходит
считывание информации из
АЦП и последующий программный анализ формы импульсов. Разделение процессов
записи и обработки информации позволяют существенно
увеличить
скорость
счета
высокоэнергетических частиц.
fast
Калибровка сцинтилляционных детекторов с цифровой дискриминацией
-квантов по форме импульса с помощью источников радиоактивного излучения
600
400
Co 60
200
slow
0
100
200
300
fast
0
600
400
Pu -  -Be
200
slow
0
0
100
200
300
Калибровка детекторов проводилась с помощью источников радиоактивного излучения: 60Со с Е = 1,33 МэВ и
Pu-alpha-Be источника, который дает широкий спектр нейтронного и гамма-излучения с
энергиями до 9 МэВ. Каждый
сцинтилляционный
импульс
представлен графически в виде
точки, координаты которой
есть величины fast и slow этого
импульса. Амплитуда импульсов разная, но у импульсов с
одинаковой формой отношение
fast/slow сохраняется. Таким
образом, импульсы с одинаковой формой будут выстраиваться на графике вдоль линии,
наклон которой характеризуется отношением fast/slow.
counts
40
Co 60
30
20
10
0
0
2
4
6
8
fast/slow
counts
25
20
Pu -  -Be
15
10
5
0
0
2
4
6
fast/slow
8
Результат обработки экспериментальных импульсов
Данные получены за один выстрел
30
PL5221
нейтроны
Измеренное
в
эксперименте
распределение
отношения
«fast/slow» показывает наличие
двух сортов частиц.
Counts
20
гамма
Cлева находится нейтронный пик,
а справа – пик гамма-квантов.
10
0
0
1
2
fast/slow
Около половины импульсов -DDнейтроны
3
Результат обработки экспериментальных импульсов
нейтроны + -кванты
200
150
кванты АЦП
100
50
0
нейтроны
200
150
100
50
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
время, мс
Сцинтилляционные импульсы детектора с цифровым PSD (Z=4.3m).
a) необработанный сигнал, содержит нейтронную и -компоненту продуктов
термоядерных реакций;
b) сигнал, обработанный системой цифровой PSD, содержит только нейтроны.
Схема нейтронной диагностики на основе локальных детекторов
Защищенный зал
Ýëåêò ðî í í û é ï ó÷î ê
Ï ëàçì åí í û é ñò î ëá
Кристаллический
сцинтиллятор
световоды
4 х фэу-84
ADC 1225
пультовая
Ï ðèåì í èê ï ó÷êà
Пластмассовый
сцинтиллятор
Распределение интенсивности нейтронного излучения вдоль установки
Один и тот же детектор, статистика за много выстрелов
PL5715
10
диамагнетизм
1
dia 4.8 us
neutron 8us
neutron 50us
neutron 300us
0.1
0.01
0.001
0
2
4
6
8
m
10
12
14
Локальная интенсивность нейтронного излучения соответствует
локальному давлению плазмы
Зависимость формы и интенсивности сигналов от координаты вдоль
установки, n = 1.1*1015 см-3
x 1000
40
20
pl5735
z= - 0.2m
pl5747
z=0.15m
0
4
2
0
16
8
pl5748
z=0.61m
pl5750
z=2.13m
0
2
1
0
0.16
pl5744
0.08
z=8.3m
0
0
20
40
60
80
время, мкс
100
120
140
Взаимное расположение локальных детекторов на установке ГОЛ-3
входная пробка
neutron 5 (стильбен, фэу)
local #2
local #1
e- - beam
2
3
4
5
6
1
local_PWO
диафрагма
0
local #3
7
9
8
диамагнитный
зонд D077
Z, м
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
Локальные детекторы сосредоточены в области максимальной интенсивности
нейтронной эмиссии.
Сравнение формы сигналов с различных плазменных диагностик
# p l5 8 3 8
10
диамагнитный зонд, Z=77 см
Local #1, Z= 89 см
0.1
Local #2, Z= 82 см
0.1
Local #3, Z= 75 см
0.1
Neutron 5, Z= 59 см
0.1
Local PWO, Z= 59 см
0.1
время, мкс
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
Сравнение формы сигналов с тяжелого и легкого сцинтилляторов
Детекторы расположены
в одном и том же месте
0
2
4
6
8
Параметры
сцинтилляторов:
BGO
Plastic
10
12
14
16
18
Сцинтиллятор
Время
высвечивания, нс
Плотность,
г/см3
Пластмасса
15
1,03
стильбен
25
1,16
BGO
300
7,13
PWO
25
8,28
20
Время,
мкс
Флуктуации эмиссии жесткого излучения обусловлены нейтронами
Предполагаемый механизм возбуждения периодических флуктуаций
нейтр/см2мкс
4520
#5790
Возбуждение стоячих звуковых волн
при течении плазмы сквозь
многопробочную ловушку
4068
3616
3164
2712
2260
1808
1356
18
19
20
21
22
23
24
25
904
452
0
0
5
10
15
20
25
30
Время, мкс
35
40
45
50
Структура флуктуаций нейтронного сигнала
 t = 0,66µs
нейтр/см2мкс
5000
Замечено
: t ~
2000
l
VTi
4000
1000
3000
24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
2000
 t = 0,78µs
1000
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Время, мкс
40
45
50
55
60
«Длинные» колебания потока плазмы через отдельную
ячейку многопробочной ловушки
нейтр/см2мкс
2260
1695
1130
565
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Время, мкс
Поток плазмы через ячейку может изменяться периодически (Т = 4 ÷ 5 мкс)
Продолжительность периодических флуктуаций нейтронного сигнала
нейтрон/см2мкс
1600
1000
1200
Local #0 8 – 9 кат.
500
800
0
Local #1 9 – 10 кат.
400
Local #3 7 – 8 кат.
0
0
5
10
15
20
25
время, мкс
30
35
40
45
5
Грубая оценка ионной температуры для локальных детекторов
100000
нейтрон/см2мкс
поток нейтронов на детекторе
10000
1000
Расчет скорости D-D реакции
для максвелловской плазмы
с плотностью n = 1.1*1015 см-3
100
10
1
0.1
0
1
2
Ti , кэВ
3
4
5
6
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
•На установке ГОЛ-3 создан комплекс диагностик для регистрации нейтронного
и гамма-излучения, разработана методика цифровой n-gamma дискриминации
по форме импульса .
•Измерен поток нейтронов, который имеет типичные значения 109-1010 нейтрон
·м-1·сек-1. Генерация нейтронов длится ~1мс.
•Обнаружена сильная неравномерность нейтронной эмиссии вдоль установки.
•Нейтронное излучение возникает через 4 – 5 мкс. после начала инжекции
электронного пучка как интенсивные вспышки.
•Обнаружены периодические колебания нейтронного потока после окончания
инжекции пучка.
•Динамика нейтронной эмиссии находится в согласии с другими измерениями и
моделью быстрого нагрева ионов.
Два последовательных выстрела в одной серии, детектор local #1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
45
50
55
60
65
70
время, мкс
0
5
10
15
20
25
30
35
40
время, мкс
10000
нейтрон/см2мкс
#5735
8000
6000
4000
2000
Local #0 5 – 6 кат.
0
0
5
10
15
20
25
время, мкс
30
35
40
Сравнение формы сигнала с тяжелого и легкого сцинтилляторов
#5816
Выстрел с умеренной
интенсивностью нейтронной
вспышки
local_PWO
neutron 5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
время, мкс
20
22
24
26
28
30
Сравнение формы сигнала с тяжелого и легкого сцинтилляторов
#5820
Выстрел с высокой
интенсивностью нейтронной
вспышки
pl5820
neutron 5
local_PWO
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
время, мкс
18
20
22
24
26
28
30
Сравнение сигналов из разных ячеек
Т#2 =0,495 мкс
#1
#2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
#2
Т#1 =0,511 мкс
#1
0
5
10
15
20
время, мкс
25
30
35
40
Запаздывание нейтронных сигналов из различных областей одной
и той же ячейки магнитного поля
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1
#2
#1
V = 7*107 см/с
 = 0,15 мкс
#2
17
#1
0
5
10
15
Время, мкс
18
20
19
20
21
25
22
23
30
Предполагаемый механизм нагрева ионов
6
,
B, T
4
2
0
nb/n
0.0002
0.0001
0
мощность нагрева, отн.ед.
1
0.1
nTe, 10
3
кэВ/см
15
0
Гофрированное магнитное поле
приводит к периодическому
изменению отношения
плотности греющего пучка к
плотности плазмы nb/n, которое
определяет локальное
энерговыделение пучка. В районе
сильного магнитного поля
формируются области сильного
нагрева плазмы. Из-за
неоднородного нагрева
возникают сильные
амбиполярные поля, ускоряющие
плазму к центру магнитной
ячейки. Происходит
столкновение встречных потоков
и термализация энергии
направленного движения ионов.
V ~ Сs ~ 106 (Te /Mi ) см/c
0
координата, см
10
12
14
16
18
20
время, мкс
22
24
26
28
30
ГОЛ-3
Механизм регистрации жестких излучений с помощью
сцинтиллятора
фотон
γ - квант
нейтрон
фотон
фотон
комптон-электрон
протон отдачи
• нейтроны: упругое
рассеяние на протонах.
• γ – кванты: комптонэффект
фотон
фотон
фотоумножитель
сцинтиллятор
Основные каналы взаимодействия жесткого
излучения с веществом
сцинтиллятора:
количество света
ГОЛ-3
Профиль импульса органического сцинтиллятора,
разделение на fast и slow компоненты
Компонента slow зависит от локальной
объемной плотности ионизации в
сцинтилляторе, чем больше масса
ионизирующей частицы, тем она выше.
суммарный профиль
затухания импульса
компонента fast
компонента slow
время
ГОЛ-3
Экспериментальный сигнал нейтронного детектора
амплитуда, В
Neutron3_5054
0
-0.2
-0.4
-0.6
200
время, мкс
амплитуда, В
Гамма-квант (Комптон-электрон 0.7Мэв)
0
600
400
Нейтрон(протон отдачи 2.3 МэВ)
0
-0.2
-0.2
120
амплитуда, В
0
121
122
123
время, мкс
124
125
152
153
154
155
время, мкс
156
157
ГОЛ-3 Экспериментальный сигнал нейтронного детектора в квантах
АЦП
кванты АЦП
300
Neutron3_5054
200
100
номер ячейки
памяти АЦП
0
0
20000
40000
fast
1
60000
80000
100000
1
fast
slow
slow
0.1
0.1
0.01
0.01
0
40
120000
0
40
ГОЛ-3
Программа для обработки сигналов с быстрого
детектора
А.Ф. Ровенских, программа Neutron
Результат обработки экспериментальных импульсов
Cлева находится нейтронный пик, а справа
– пик гамма-квантов.
20
Отсчеты
Измеренное в эксперименте распределение
отношения «fast/slow» показывает наличие
двух сортов частиц.
16
12
8
4
0
0.0
20
dN/dE
He3 + n (2,45 МэВ)
10
МэВ
0
0
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Экспериментальное отношение fast/slow
D+D
-1
0.5
1
2
3
4
5
6
Амплитудное распределение импульсов,
соответствующих нейтронам, которое является
спектром протонов отдачи в сцинтилляторе.
Измеренный в эксперименте спектр протонов
отдачи
позволяет
утверждать,
что
зарегистрированные
нейтроны
являются
продуктом термоядерных D-D реакций.
Флуктуации магнитного Интенсивность, отн.ед
поля
Флуктуации на стадии распада плазмы
H
0.4
Z=2.13 m
D
0.2
0
0.4
DD neutrons, Z=0.6 m
0.3
dBf, Z=6.59 m
1
0
-1
dBz, Z=0.77 m
0.01
Z=3.57 m
Интенсивность, отн.ед
1
IR ~1 mm, Z=4.15 m
R, mm
34
28
22
16
11
6
0
2
1
0
0.35
0.4
t, ms
0.45
0.5
Экспериментальное наблюдение
флуктуаций параметров плазмы на
больших
временах
после
инжекции пучка.
Характерные
флуктуации
регистрируются
синхронно
независимыми
диагностиками.
Наличие флуктуаций говорит о
МГД – активности вследствие
спиралевидной
структуры
магнитного поля.
Нейтронные
флуктуации
свидетельствуют о том, что МГД –
активность
затрагивает
даже
наиболее горячую часть плазмы.
Схема нейтронной диагностики на основе локальных детекторов
4x фэу-84
ADC 1225
Защищенный зал
Пультовая ГОЛ-3
пластмассовый
сцинтиллятор
кристаллический сцинтиллятор (BGO, PWО)
световод
Реакции захвата (n,) .
число фотонов на 100 поглощенных нейтронов
100
1
H (n,  ), 2.22
80
58
Ni (n,  ), max 8.997
60
Всего 2.7 кванта
на один нейтрон
40
20
0
0
2
4
6
8
энергия, Мэв
Спектры гамма-квантов
10
ГОЛ-3
заключение
•На установке ГОЛ-3 создан комплекс диагностик для регистрации нейтронного
и гамма-излучения: активационный серебряный детектор, детекторы на основе
органических сцинтилляторов, детектор на основе кристалла BGO.
•На основе кристалла стильбена создан быстродействующий детектор
нейтронов с цифровым отделением гамма-квантов по форме импульса .
Основной особенностью данного детектора является максимально возможная
скорость счета.
•В эксперименте был измерен поток нейтронов на фоне более интенсивного
гамма-излучения. Величина потока нейтронов зависит от условий эксперимента
и имеет типичные значения 109-1010 нейтрон ·м-1·сек-1.
•Измеренный в эксперименте спектр протонов отдачи позволяет утверждать, что
зарегистрированные нейтроны являются продуктом термоядерных D-D реакций.
Анализ формы сигналов локальных детекторов, установленных в зоне
максимального нагрева, показывает наличие макроскопического движения