ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ НЕЙТРОННОЙ ЭМИССИИ В МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКЕ ГОЛ-3 Ю.С.Суляев Научный руководитель: Бурдаков А.В. 1. Введение 2. Эксперимент с локальными детекторами 2.1. Описание эксперимента 2.2. Зависимость интенсивности нейтронного потока от координаты вдоль установки 2.3. Флуктуации нейтронного потока в отдельных ячейках 3. 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 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. Быстрый нагрев ионов на установке ГОЛ-3 Экспериментально обнаружен быстрый нагрев ионной компоненты плазмы. Измерения поперечного давления плазмы диамагнитным зондом Ti , кэВ PL5369 1 ne = (3,5±0,5) × 1014 cм-3 0 2 нейтроны о.е Измерения нейтронного потока сцинтиляционным детектором n e T e + n iT i Измерение Ti по допплеровскому уширению профиля линии D 2 PL5369 1 0 2 × 1015 кэВ/см3 1 PL5369 0 0 100 200 300 400 500 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. 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 Предполагаемый механизм возбуждения периодических флуктуаций и структура флуктуаций нейтронного сигнала t ≈ 0,66µs нейтр/см2мкс 5000 Возбуждение стоячих звуковых волн при течении плазмы сквозь многопробочную ловушку 2000 4000 1000 3000 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 2000 Замечено : t ~ l VTi 55 60 t ≈ 0,78µs 1000 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Время, мкс 40 45 50 Форма отдельных импульсов периодических флуктуаций Детектор: Стильбен + ФЭУ 87 Оцифровка: ADC 200 (5нс,8бит), разработка ИЯФ (Батраков А.М, Сазанский В.Я.) Выстрел #5772 мкс 27 27.5 28 28.5 29 Выстрел #5908 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5 Время, мкс 30 30.5 31 31.5 32 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 Поведение нейтронной эмиссии на больших временах выстрел #6395 нейтрон/см2мкс 1000 1. Стадия флуктуаций – ионы плазмы набирают высокую энергию 2. Стадия установления – ион-ионные столкновения приводят к максвеллизации, устанавливается квазистационарное распределение давления по длине 3. Стадия остывания Local #0 8 – 9 кат. Стадия флуктуаций пучок 100 стадия установления стадия остывания плазмы 10 0 50 100 150 200 время, мкс 250 300 350 400 Оценка ионной температуры для измерений с помощью локальных детекторов поток нейтронов на детекторе, нейтрон/см2мкс 10000 Расчет скорости D-D реакции для максвелловской плазмы с плотностью n = 1.1*1015 см-3 1000 Ti максв. (кэВ) Энергия частиц, дающих максимальный вклад в реакцию 1 2,94 2 5,00 3 6,84 Для распределения ионной температуры по радиусу: 5 10,22 7 13,38 Ti( r ) = const 10 17,93 100 10 парабола H. Brysk, Plasma Physics, V.15, 1973 1 1 2 3 Ti , кэВ 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.