СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ИОНОВ В D-T ПЛАЗМЕ Российский патент 2018 года по МПК G01K13/02 

Изобретение относится к ядерной физике и физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе для термометрии термоядерной плазмы, при разработке диагностических приборов для управляемого термоядерного синтеза. Контроль температуры необходим для оперативного (в реальном времени) управления процессом подогрева плазмы от внешних источников энергии.

Одной из актуальных проблем в управляемом термоядерном синтезе, например, в проекте INTOR (International Tokamak Reactor), является проблема измерения температуры ионов T_i в D-T плазме. Контроль температуры необходим для оперативного (в реальном времени) управления процессом подогрева плазмы от внешних источников энергии. Требования к методу измерения T_i весьма жестки - T_i должна измеряться с дискретностью ~50 миллисекунд с точностью ΔT_i/T_i ≤ 0.1.

Прямая информация о T_i содержится в ширине спектра ΔЕ_n нейтронов от реакции D+T в горячей плазме. В работе [Brysk Н. Fusion neutron energies and spectra. Plasma Physics. 1973. V. 15. P. 611] показано, что в случае максвелловской плазмы нейтронный спектр имееи гауссову форму. При этом ширина энергетического распределения нейтронного импульса ΔЕ_n связана с температурой ионов плазмы T_i соотношением , где ΔЕ_n и T_i измеряются в кэВ, или подобным [Krasilnikov A.V., Amosov V.N., Van Belle P. et al. Study of d-t neutron energy spectra at JET using natural diamond detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 476 (2002) 500]. Уширение спектра ΔЕ_n имеет доплеровскую природу и связано с тепловым движением центра масс дейтерия и трития в лабораторной системе координат. Таким образом, измерив полуширину гауссового распределения нейтронного спектра, можно получить и величину температуры ионов плазмы.

Ранее для термометрии термоядерной реакции был предложен радиохимический детектор нейтронов [Д.Н. Абдурашитов, Э.А. Коптелов, С.Г. Лебедев, В.Э. Янц. Газовый радиохимический монитор нейтронов. Приборы и техника эксперимента. 2004. №1, С. 1; Lebedev S.G., Akulinichev S.V., Iljinov A.S., Yants V.E. A gaseous radiochemical method for registration of ionizing radiation and its possible applications in science and economy. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 561 (2006) 90]. В детекторе под действием нейтронов образуется радиоактивный газ и затем измеряется его активность. Основным недостатком указанного метода является временная задержка сигнала из-за транспортировки радиоактивного газа из активной зоны в удаленный пропорциональный счетчик.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является способ измерения ΔЕ_n и температуры ионов T_i в D-T плазме с помощью алмазного детектора нейтронов [Krasilnikov A.V., Amosov V.N., Van Belle P. et al. Study of d-t neutron energy spectra at JET using natural diamond detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 476 (2002) 500] по реакции n+¹²C→α+⁹Be - 5.071 МэВ. Способ включает регистрацию нейтронов из D-T плазмы алмазным нейтронным детектором, использование сигналов детектора для формирования энергетического спектра нейтронов, определение его ширины на полувысоте ΔЕ_n и вычисление по величине ΔЕ_n температуры ионов T_i. При эффективном зарядовом сборе в алмазном детекторе возможно достижение энергетического разрешения (при энергии образования электронно-дырочной пары ε_пары=10 эВ) порядка 0.15% при энергии 9 МэВ. Тогда ΔЕ_n будет измерено с точностью около 1.5%, а температура T_i с точностью 3-4%. В реальности, с учетом требований высокой загрузки по скорости счета (для обеспечения приемлемой статистики за 50 мс) ~10⁶ с^-1 и большого рабочего ресурса - десятки и сотни дней, возможность применения твердотельных детекторов ограничена, учитывая накопление структурных дефектов в кристалле, а, следовательно, и зарядовых ловушек.

Недостатками такого способа являются высокая стоимость и ограниченный рабочий ресурс используемого детектора нейтронов, существование ядерных каналов реакции, отличных от используемого для регистрации нейтронов канала ^l2C(n,α)⁹Be, снижающих достоверность результатов, и неполный сбор заряда.

Заявляемый в качестве изобретения, способ измерения температуры ионов в D-T плазме направлен на повышение достоверности результатов, удешевление, расширение возможностей и обеспечение повышения его эффективности за счет значительного удешевления и увеличения рабочего ресурса используемого детектора нейтронов, возможности эффективного использования в условиях сильных электромагнитных помех, оптимизации эффективности за счет правильного выбора параметров детектора и отбора его сигналов для формирования энергетического спектра нейтронов.

Данный технический результат достигается тем, что в способе измерения температуры ионов в D-T плазме, включающем регистрацию нейтронов из D-T плазмы нейтронным детектором, использование сигналов детектора для формирования энергетического спектра нейтронов, измерение его ширины на полувысоте ΔЕ_n и вычисление по величине ΔЕ_n температуры ионов T_i, регистрацию нейтронов из D-T плазмы проводят газовым пропорциональным детектором, заполненным тормозным газом и спектрометрическим газом, для которого возможны реакции (n,α) на его изотопных составляющих под действием нейтронов с соответствующими энергиями из D-T плазмы. При этом для формирования энергетического спектра нейтронов используют токовые сигналы детектора, из которых отбирают только те сигналы, форма которых характеризуется двумя пиками от полностью затормозившихся в чувствительном газовом объеме детектора сильноионизирующих ядер-продуктов - α-частицы и тяжелого ядра из реакции (n,α) нейтронов со спектрометрическим газом. В качестве спектрометрического газа могут быть использованы СО₂, N₂, Ne или другие газы, для которых возможны реакции (n,α) на их изотопных составляющих под действием нейтронов с соответствующими энергиями из D-T плазмы, или их смеси. А в качестве тормозного газа может быть использован Хе или другой газ, или их смеси.

Достижение нового технического результата стало возможным благодаря тому, что в качестве нейтронного детектора предлагается использовать газовый пропорциональный детектор, заполненный тормозным газом и спектрометрическим газом, для которого возможны реакции (n,α) на его изотопных составляющих под действием нейтронов с соответствующими энергиями из D-T плазмы. Также для формирования энергетического спектра нейтронов предлагается использовать токовые сигналы детектора, из которых отбирать только те сигналы, форма которых характеризуется двумя пиками от полностью затормозившихся в чувствительном газовом объеме детектора сильноионизирующих ядер-продуктов - α-частицы и тяжелого ядра из реакции (n,α) нейтронов со спектрометрическим газом. В качестве спектрометрического газа могут быть использованы СО₂, N₂, Ne или другие газы, для которых возможны реакции (n,α) на их изотопных составляющих под действием нейтронов с соответствующими энергиями из D-Т плазмы, или их смеси. В качестве тормозного газа может быть использован Хе или другой газ, или их смеси.

Сущность заявленного способа поясняется прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1. показан пример схемы предполагаемой установки для измерения температуры ионов в D-T плазме с использованием газового пропорционального детектора для регистрации нейтронов. Обозначения: 1 - нейтронный поток, 2 - пропорциональный детектор, 3 - спектрометрический газ, 4 - треки ядер-продуктов, 5 - анод детектора, 6 - катод детектора, 7 - токовый предусилитель, 8 - дигитайзер или цифровой осциллограф, 9 - on-line анализатор, 10 - интегратор.

На фиг. 2 показан пример токового импульса детектора, отобранного анализатором.

На фиг. 3 показан пример спектра нейтронов, измеренного газовым пропорциональным детектором.

На фиг. 4 показан график зависимости ΔЕ_n-T_i для определения температуры ионов в D-T плазме.

Возможность осуществления заявленного способа измерения температуры ионов в D-T плазме подтверждается следующими пояснениями и примером.

В качестве нейтронного детектора предлагается использовать газовый пропорциональный детектор, заполненный тормозным газом (например, Хе) и спектрометрическим газом, для которого возможны реакции (n,α) на его изотопных составляющих под действием нейтронов из D-T плазмы. В газовых детекторах могут быть использованы различные спектрометрические газы (СО₂, N₂, Ne и другие, а также их смеси) и соответственно при регистрации нейтронов использованы реакции:

Хотя энергия образования заряженной пары в тормозном газе Хе больше чем в алмазе, но при использовании в качестве спектрометрического газа, например, азота (N₂), этот недостаток полностью компенсируется более низким порогом (n,α) - реакции на азоте (0.169 МэВ). При использовании СО₂ необходимо принять во внимание реакции на всех изотопах углерода и кислорода.

Обычно главным затруднением при использовании газовых пропорциональных детекторов для целей прецизионной нейтронной спектроскопии является так называемый «стеночный эффект». Если треки продуктов реакций (1) выходят за пределы чувствительного объема счетчика («в стенку»), то в амплитудном распределении (в левой части спектра) зарядовых сигналов детектора появляется так называемый «хвост». При таком искажении гауссова распределения точные измерения температурного уширения невозможны.

Для решения проблемы стеночного эффекта предлагается воспользоваться той особенностью реакций (1), что в конечном состоянии появляются два сильноионизирующих ядра-продукта - α-частица и тяжелое ядро (например, ⁹Ве в реакции с ¹²С). Если эти ядра полностью тормозятся в газовом объеме счетчика, то на концах треков от альфа-частицы и ядра в газе образуются области с повышенной плотностью ионизации (эффект Брегга). Если проекция трека относительно поля такова, что электроны от этих ионизационных уплотнений приходят на анод детектора с некоторым временным различием (десятки наносекунд), то в токовом сигнале детектора появятся два характерных всплеска (пика). Наличие таких двух пиков в токовом сигнале и является признаком того, что энергия ядер-продуктов полностью поглощена в чувствительном объеме детектора. Наличие газового усиления является необходимым, чтобы подавить вклад в ток от первичной ионной компоненты и является дополнительным преимуществом газового пропорционального детектора в условиях сильных электромагнитных помех. Отбирая для формирования зарядового распределения только сигналы, характеризующиеся двумя токовыми пиками, и отбрасывая все остальные, получаем распределение, очищенное от стеночного эффекта. Это и будет истинным энергетическим распределением. При этом некоторая потеря эффективности не критична и оптимизация эффективности достигается выбором размеров детектора и давления газов.

Для измерения температуры ионов в D-T плазме может быть использована установка, схема которой показана на фиг. 1. Нейтроны 1 регистрируются газовым пропорциональным детектором 2 следующим образом. Для примера рассмотрим спектрометрический газ 3 СО₂ и конкретное ядро-мишень ¹²С, на котором идет реакция ¹²С(n,α)⁹Ве. Разлетаясь от точки ядерной реакции нейтрона с ядром ¹²С ядра, продукты ⁴Не и ⁹Ве производят треки 4 ионизации в газовой среде 3 детектора 2 и тормозятся с образованием электронного облака высокой плотности (Брегговское уплотнение) в конце своего пробега. Электроны первичной ионизации трека дрейфуют к аноду 5 по силовым линиям электрического поля, ионы дрейфуют к катоду 6. При этом во внешней цепи индуцируется ток, связанный с движением зарядов. Токовый сигнал от протяженной первичной ионизации является суперпозицией вкладов от каждого элемента трека 4 и представляет собой достаточно гладкую функцию (фиг. 2). При поступлении в область ударной ионизации Брегговских уплотнений за счет большой плотности и малого расстояния от анода в форме токового сигнала (фиг. 2) появляются два характерных всплеска (Брегговские пики). Разделение во времени происходит из-за разницы расстояний от уплотнений до анода 5. Полная длительность токового сигнала зависит от плотности и состава газа, напряжения на детекторе, его размеров и составляет несколько микросекунд. Сигналы с детектора 2 поступают на вход токового предусилителя 7 и далее оцифровываются дигитайзером или цифровым осциллографом 8. Затем они анализируются в on-line анализаторе 9, где происходит идентификация треков 4, которые полностью потеряли энергию в газовом наполнении детектора 2 и характеризуются наличием двух Брегговских токовых всплесков в общем токовом сигнале. Анализ сигналов может заключаться поиске событий появления двух всплесков тока выше уровня дискриминации, устанавливаемого выше наибольшей амплитуды тока для гладкой части сигнала. Отобранные сигналы из анализатора 9 поступают на интегратор 10, где происходит интегрирование токового сигнала (вычисление площади, т.е. вычисление заряда в каждом сигнале) и далее на компьютер для формирования распределения по зарядам (фиг. 3), полуширина на половине высоты которого после калибровки соответствует полуширине нейтронного спектра. Полученную полуширину спектра нейтронов ΔЕ_n используют для определения температуры ионов плазмы T_i (фиг. 4). Для реальной D-T плазмы полуширина нейтронного импульса будет большой из-за высокой температуры, и линия будет широкой. Варьируя параметры детектора, состав смеси и напряжение на детекторе (от которого зависит газовое усиление) можно добиться наименьшей ширины спектра зарядовых импульсов и наилучшего разрешения.

В качестве примера реализации заявленного способа может служить измерение спектра нейтронов из D-T реакции. Детектор облучают моноэнергетическими нейтронами D-T-генератора с энергией 14 МэВ. Пропорциональный детектор нейтронов представляет собой цельнокварцевую отпаянную конструкцию. Катодом детектора является слой пирографита, полученный разложением изобутана при температуре 950°С. Толщина слоя пирографита ~0.1 мкм. После получения слоя производят удаление пирографита (выжиганием в потоке кислорода) в тех местах, где он не нужен (изоляторы и т.п.). Контакт с катодом осуществляют через боковой капиллярный отвод с пирографитовым внутренним покрытием. С этим покрытием контактирует молибденовая фольга (толщина 10 мкм, ширина 1 мм), вваренная в кварцевое стекло. Аналогичная фольга является анодным выводом. Анодом является вольфрамовая проволока диаметром 20 мкм. Размеры детектора: длина - 250 мм; внутренний диаметр - 18 мм. Наполнение детектора: Хе (2 атм.)+СO₂ (2 атм).

Сигналы от детектора поступают на токовый предусилитель (Δƒ=800 МГц) и далее на цифровой осциллограф (с дискретизацией 2 нc). Оцифрованный сигнал on-line анализируется на наличие двух пиков и при наличии таковых записывается и интегрируется. Из интегралов таких сигналов формируют энергетическое распределение и каждые 50-100 миллисекунд определяются ΔЕ_n и T_i.

Программа on-line анализатора работает по принципу распознавания образов. Первоначально формируется банк эталонных Брегговских сигналов (визуальным отбором). Далее программа выделяет на основе банка эталонов характерные признаки Брегговских сигналов, по которым затем отбираются сигналы детектора.

Детектор содержит около 100 см³ СО₂ или 1.6×10²¹ атомов углерода. Сечение (n,α)-реакции при 14 МэВ составляет σ(n,α)~80 мб. Скорость счета нейтронов при единичном потоке составила N=(1.6×10²¹)×(8×10^-26)≈0.0001 отсчет/нейтр/см²с. При потоке нейтронов Ф~10⁶ нейтр/см²с скорость счета I~100 с^-1. При Q реакции ~6 МэВ остается 8 МэВ на ионизацию и при энергии создания пары ионов ~20 эВ образуется ~4×10⁵ пар. Тогда энергетическое разрешение составит ~10^-3. Пример измеренного спектра нейтронов показан на фиг. 3.

Данный пример демонстрирует возможность использования газового пропорционального детектора нейтронов для измерения спектра нейтронов из D-T плазмы и температуры ее ионов.

Таким образом, использование настоящего изобретения обеспечивает повышение достоверности результатов, удешевление, расширение возможностей и повышения его эффективности за счет значительного удешевления детектора и увеличения рабочего ресурса используемого детектора нейтронов, возможности эффективного использования в условиях сильных электромагнитных помех, оптимизации эффективности за счет правильного выбора параметров детектора и отбора его сигналов для формирования энергетического спектра нейтронов.

Изобретение относится к ядерной физике и физике высокотемпературной плазмы. Способ измерения температуры ионов в D-T плазме включает регистрацию нейтронов из D-T плазмы нейтронным детектором, использование сигналов детектора для формирования энергетического спектра нейтронов, измерение его ширины на полувысоте ΔE_n и вычисление по величине ΔE_n температуры ионов T_i, при этом регистрацию нейтронов из D-T плазмы проводят газовым пропорциональным детектором, заполненным тормозным газом и спектрометрическим газом, для которого возможны реакции (n, α) на его изотопных составляющих под действием нейтронов с соответствующими энергиями из D-T плазмы, а для формирования энергетического спектра нейтронов используют токовые сигналы детектора, из которых отбирают только те сигналы, форма которых характеризуется двумя пиками от полностью затормозившихся в чувствительном газовом объеме детектора сильноионизирующих ядер-продуктов - α-частицы и тяжелого ядра из реакции (n, α) нейтронов со спектрометрическим газом. Технический результат – повышение точности измерения температуры ионов в D-T плазме. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения температуры ионов в D-T плазме, включающий регистрацию нейтронов из D-T плазмы нейтронным детектором, использование сигналов детектора для формирования энергетического спектра нейтронов, измерение его ширины на полувысоте ΔE_n и вычисление по величине ΔE_n температуры ионов T_i, отличающийся тем, что регистрацию нейтронов из D-T плазмы проводят газовым пропорциональным детектором, заполненным тормозным газом и спектрометрическим газом, для которого возможны реакции (n, α) на его изотопных составляющих под действием нейтронов с соответствующими энергиями из D-T плазмы, а для формирования энергетического спектра нейтронов используют токовые сигналы детектора, из которых отбирают только те сигналы, форма которых характеризуется двумя пиками от полностью затормозившихся в чувствительном газовом объеме детектора сильноионизирующих ядер-продуктов - α-частицы и тяжелого ядра из реакции (n, α) нейтронов со спектрометрическим газом.

2. Способ измерения температуры ионов в D-T плазме по п. 1, отличающийся тем, что в качестве спектрометрического газа используют СО₂, N₂, Ne или другие газы, для которых возможны реакции (n, α) на их изотопных составляющих под действием нейтронов с соответствующими энергиями из D-T плазмы, или их смеси.

3. Способ измерения температуры ионов в D-T плазме по п. 1, отличающийся тем, что в качестве тормозного газа используют Хе, или другой газ, или их смеси.