diagnostika plazmatu založená na detekci fúzních neutronů
Post on 03-Jan-2016
41 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Diagnostika plazmatu založená na
detekci fúzních neutronů
Ondřej Šíla
Vedoucí práce: Ing. Daniel Klír, Ph.D.
Zadání práce
1. Seznámit se s principem Z-pinče.
2. Poznat základy teorie fúzních D-D srážek.
3. Seznámit se s principem neutronových scintilačních detektorů.
4. Zpracovat a vyhodnotit data získaná na zařízení PF-1000.
Obsah
1. Z-pinč efekt
2. Detekce neutronů fúzního původu
3. Scintilační detektory
4. Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
Z-pinč efekt
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 . mp
j
j B
B j
Komprese proudového sloupce při Z-pinč efektu.
Z-pinč efekt
• Zákon zachování energie – energie vynaložená pro kompresi se projeví vzrůstem energie uvnitř.
→ zvýšení tepelné energie částic a vzrůst teploty.
Z-pinč efekt
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
kp n kT
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?
Z-pinč efekt
Bennetova podmínka
1)
2)
•
•
220 0
2 2 2 2 1
2 4
I r Idp I rp
dr R R R R
222 70
e e i i e(S)2 21 10
4
I rn kT n kT I N kT
R R
(Bennet 1934)
k
dpp j B
dr j B
02 2
0
2 2r
B I rI rI d H B
R R
H l
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.
Z-pinč efekt
Symetrická nestabilita Nesymetrická nestabilita
Z-pinč efekt
Plazmatický fokus
Detekce neutronů fúzního původu
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 + 2nQ = (3,8 (He) + 17,6 (n) ) MeV
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.
Detekce neutronů fúzního původu
Spektrum kinetické energie neutronů
• Úhel je úhel mezi nalétávajícím deuteronem (rychlý deuteron) a vyletujícím neutronem v laboratorní soustavě.
2
2αnn D D
n α n D
2Q, cos 1 sin
2
mmE E E
m m m E
Detekce neutronů fúzního původu
Závislost neutronové energie na úhlu mezi deuteronem a neutronem.
Scintilační detektory
Scintilační detektory
• Dva hlavní typy
1) Časově integrální.
2) Časově rozlišené (o těch bude řeč).
• Další důležité rozdělení
1) S organickou strukturou.
2) S anorganickou strukturou.
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.
Scintilační detektory
Detekce neutronů
• Organickými scintilátory (uhlovodíková struktura pravděpodobněji zachytí neutron).
• Princip emise fotonů stejný jako u detekce rentgenů (tj. excitace a deexcitace)
Scintilační detektory
• Použito (a používáno) na PF-1000 ve Varšavě.
Scintilační detektory
Scintilační detektor na zařízení PF-1000 (Bicron BC-408 + Hamamatsu H1949-51)
Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
PF-1000 (pohled zvnějšku)
Elektrody
Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
Jedna z konfigurací scintilačních detektorů v našem měření
Metoda TOF
• Z času letu částice do pevné vzdálenosti s od zdroje spočteme
a) hmotnost, pokud známe energii
b) energii, pokud známe hmotnost (náš případ)
Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
2 2 2kn n 0n 0n 2
n2
11
1
E m c m c m cv
c
22s
kn n n n 2n
2 10,072
2 2
E sv c E m v m
m t
27n 0n 1,674927211 10 kgm m
Výstřel 6540
Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
Výstřel 6540
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Čas/[ns]
Sign
ál fo
toná
sobi
če/[
rela
tivn
í jed
notk
a]
0°
180°
Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
Poloha det. s/[m]Čas letu
neutronů/[ns]Energie
neutronů/[MeV]Ed║1-1/[MeV]
0° 84,22 3394+281 2,74 0,06
180° 84,22 3925+281 2,09 0,16
• Ed║≈ 100 keV
Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
Energetické spektrum u výstřelu 6540 – detektor v 0°
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2,00 2,15 2,30 2,45 2,60 2,75 2,90 3,05 3,20 3,35
Energie neutronů/[MeV]
Poč
et n
eutr
onů
přís
luše
jící e
nerg
ii /[
rela
tivní
jedn
otka
/eV
]
Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
Energetické spektrum u výstřelu 6540 – detektor ve 180°
0
5
10
15
20
25
30
1,85 2,05 2,25 2,45 2,65 2,85
Energie neutronů/[MeV]
Poč
et n
eutr
onů
přís
luše
jící e
nerg
ii /[
rela
tivní
jedn
otka
/eV
]
Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
• Ze spekter vidíme, že
1) do detektoru v 0° vlétlo nejvíce neutronů o energii asi 2,9 MeV
2) 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.
0 ,180
Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
Výstřel 8411
Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
Výstřel 8411
-0,050
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
0,400
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400
Čas/[ns]
Sign
ál fo
toná
sobi
če/[
rela
tivn
í jed
notk
a]
0°
90°
180°
320°
Stanovení energií neutronů a deuteronů metodou TOF
• Kvalitativně potvrzena domněnka vyslovená u spekter.
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.
Závěr
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°.
Výzkumný úkol
• Prozatím se seznámit s interakcí neutronu se strukturou scintilátoru
• Obnáší především seznámení se s MCNP kódem (Monte Carlo neutron particle simulation)
top related