Спектрометр быстрых нейтронов для диагностики высокотемпературной дейтериево-тритиевой плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

'о: ОД

* Г?

На правах рукописи

МАРКО АДЕЛЬ

Спектрометр быстрых нейтронов для диагностики высокотемпературной дейтериево-тритиевой плазмы

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

1 ж

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственно: техническом университете на кафедре "Космические исследования".

Научный руководитель доктор физико-математических

наук

профессор В.О. Найдёнов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук

ведущий научный сотрудник A.A. Пастернак

кандидат физико-математических

наук

старший научный сотрудник A.C. Серебряков

Ведущая организация Санкт-Петербургский

государственный университет

Защита состоится 2 ^ чЗ 1998 г. в ЬВ часов в аудитории 265 2-г учебного корпуса на заседании диссертационного совета К 063.38.13 пр Санкт-Петербургском государственном техническом университете г адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотек СПбГТУ.

Автореферат разослан

"O-rrpiAq 1998 г

Учёный секретарь диссертационного совета .^¡Титовец ЮЛ

доктор физико-математических наук f МЛ

s

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации.

В настоящее время достигнут значительный прогресс в освоении управляемого термоядерного синтеза. На двух крупных крупных установках (JET - объединенный европейский токамак, и TFTR - США) опробованы режимы зажигания дейтериево-тритиевой (dt) плазмы. Российские учёные участвуют в международном проекте большого термоядерного реактора ITER (ИТЭР). Среди многих проблем, решаемых в условиях dt-плазмы, диагностика образующихся нейтронов занимает одно из главных направлений. Спекроскопия быстрых нейтронов плазмы является наиболее прямым методом для определения основных параметров термоядерной плазмы.

В ядерных лабораториях накоплен большой опыт в облает нейтронной спектроскопии, в том числе спектроскопии быстрых нейтронов. Существует также ряд методик для модельных условий (dd-плазма) и несколько предложений доя dt-плазмы. Однако, как показывает детальный анализ, требования, предъявляемые к прибору в условиях полномасштабного термоядерного эксперимента, не позволяют непосредственно применить какой-либо известный метод. В этой связи продолжаются исследования по созданию спектрометров быстрых нейтронов, удовлетворяющих специфическим условиям диагностики высокотемпературной dt-плазмы. В работе предложен и опробован метод спектрометрии быстрых нейтронов, основанный на использовании кинематических соотношений пороговых двухчастичных ядерных реакций типа (я, а) или (п,р) на углероде или кислороде в газонаполненных детекторах, содержащих метан или углекислый газ в качестве рабочего газа.

Цель и задачи работы.

Целью работы является создание спектрометра быстрых нейтронов для диагностики высокотемпературной dt-плазмы, удовлетворяющего; жёстким и специфическим параметрам, предъявляемым к подобным приборам в планируемых экспериментах на установках типа ИТЭР. Ставилась также задача возможно более полного и детального обоснования выбранного метода, имея в виду в дальнейшем прохождение международной экспертизы.

Научная новизна работы.

1) Проведен комплексный анализ методов спектрометрии быстры? нейтронов применительно к жёстким условиям полномасштабной: термоядерного эксперимента с дейтериево-тритиевой плазмой.

2) Предложен оригинальный вариант спектрометра быстрых нейтронов основанный на использовании кинематических соотношений пороговые двухчастичных ядерных реакций типа (п,а) или (п,р) на углероде йот кислороде в газонаполненных детекторах, содержащих метан ша углекислый газ в качестве рабочего газа.

3) Сделан детальный расчет конструкции, эффективности г энергетического разрешения предложенного спектрометра.

4) Проведено испытание макета спектрометра на потоках нейтронов и гамма-квантов, полученных в реакции ускоренных на циклотроне альфа-частиц на бериллии.

5) Получены оценки чувствительности спектрометра к фону нейтронов к гамма-квантов.

Научная и практическая ценность работы.

Представленная к защите работа входит в программу разработка комплекса диагностик дейтериево-тритиевой плазмы с использование!« ядерных методов. На основе проведённых расчетов и исследований макетг спектрометра проектируется создание в ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАК пилотного прибора с целью полномасштабной демонстрации ere возможностей и конкурентоспосбности выбранного метода при решенш вопроса о составе диагностической аппаратуры на установках типа ИТЭР.

Положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

1. Обоснование и выбор физического метода, положенного в основ} создания спектрометра быстрых нейтронов применительно к диагностик* дейтериево-тритиевой плазмы.

2. Расчёт конструкции, эффективности и энергетического разрешенш спектрометра в цилиндрической и плоской геометрии.

3. Создание и испытание макета спектрометра на потоках нейтронов i гамма-квантов, полученных в реакции ускоренных на циклотроне альфа частиц с бериллиевой мишенью.

4. Оценки чувствительности спектрометра к фону нейтронов и гамма квантов.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на совместной семинаре кафедры космических исследований СПбГТУ и лаборатории ядерной космической физики ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН (1998 г.), на семинаре циклотронной лаборатории ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН (1997 г.), иа международном семинаре "News and Views in Physics and Astrophysics" (1997 г., Helsinki - St.-Petersburg).

Основной материал диссертации опубликован в 2 работах.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, выводов, списка литературы и приложения.

Она содержит 94 стр. текста, 23 рисунка, 3 таблицы. Список литературы включает 14 наименований.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы диссертации, ее цели и задачи, кратко приведены основные результаты диссертационной работы, обоснована их новизна, научная и практическая значимость.

Первая глава диссертации представляет собой аналитический обзор возможностей спектрометрии быстрых нейтронов в решении диагностических проблем высокотемпературной дейтериево-тритиевой плазмы. Рассмотрены три основных аспекта, опираясь на которые можно ставить задачу создания диагностического прибора. Это, во-первых, какую информацию о термоядерной плазме можно получить, если измерить спектр быстрых нейтронов от неё. Во-вторых, какие известны методы спектрометрии быстрых нейтронов, их достоинства и недостатки. И, в-третьих, какие специфические ограничения на параметры нейтронных спектрометров налагаются реальными условиями полномасштабного термоядерного dt-эксперимента. Последнее связано с тем, что диссертация ориентирована на соблюдение именно этих жёстких условий и опирается на параметры, прогнозируемые ддя термоядерного реактора ИТЭР.

Спектр термоядерных нейтронов от dt-плазмы состоит из двух гауссовских пиков при 14,1 МэВ от реакции d+t и 2,45 МэВ от реакции d+d. Уширение пиков вызвано доплеровским эффектом вследствие теплового движения и связано с температурой ионов 75 (в стационарном

режиме). Первый из них имеет дисперсию а = 75,2 VT¡ (в кэВ), второй - с = 35,1 VTí (в кэВ). Площади пиков отражают интенсивносп соответствующих реакций и определяются выражениями: 1(14,1 МэВ - ntndRái, а /(2,45 МэВ) = т2 R¿d, где п - соответствующие концентрации a R - так называемая реактивность. Она представляет собой произведена сечения соответствующей реакции на взаимную скорость вступающих i реакцию частиц, проинтегрированное по максвелловскому распределении по скоростям. Таким образом, температурная зависимость входит как i форму спектра, так и в интенсивность. Из приведенных соотношение видно, какие проблемы в принципе могут решаться спектромсприе] быстрых нейтронов. Это - измерение температуры, полной энерговыделения, концентрации трития и дейтерия. При использованш коллимации указанные параметры могут быть измерены по различные лучам зрения, позволяя тем самым определять профили распределений Спектрометрия быстрых нейтронов позволяет решать также задач; определения функции распределения быстрых a-частиц в плазме. Эт< связано с тем, что за счет столкновений a-частиц с ионами трития шв дейтерия последние вступают в термоядерную реакцию с большим] относительными скоростями, чем в случае чисто максвелловскоп распределения. В результате в спектре нейтронов должна появитьс: составляющая с энергией выше 14,1 МэВ. Рисунок 1 показывает ожидаемы] спектр нейтронов от реакции d+t на фоне нейтронов, рассеянных камеро] токамака.

С некоторой степенью упрощения спектрометры быстрых нейтронов ядерных экспериментах можно разделить на три группы: 1) измерени энергии нейтрона по протонам отдачи, 2) регистрация рассеянноп нейтрона по времяпролёгному методу и 3) регистрация энерговыделения результате ядерной реакции нейтрона с выбранным ядром-мишеньк Возможны также комбинации, например, (2) с (1). Применение того ил иного метода определяется спецификой проводимого эксперимента.

В этой связи целесообразно рассмотреть требования, предъявляемые приборам в условиях, ожидаемых на ИТЭР. Подобные вопрос! рассматриваются на регулярных диагностических конференция (см.,например, [1]). Центральная температура плазмы ИТЭР в различны режимах меняется от 4 до 50 кэВ. Ввиду резкой зависимости скорости di реакции от температуры поток нейтронов изменяется при это] приблизительно в 100 раз.

Плотность потока нейтронов от плазменного шнура токамака ИТЭР при наблюдении сквозь достаточно длинный канал длиною L и радиусом R равна [1-(Д.В.Орлинский)]:

F = F0(£)\ (10)

причём Fo=2-1014 нейтронов/(см2- с) при тепловой нагрузке на первой стенке токамака 1 МВт/м2. Эта величина относится к большой мощности энерговыделения, близкой к предельной. Отмечается, что на выходе длинного канала преобладают быстрые нейтроны, пролетающие канал прямо, а рассеянное излучение эффективно ослабляется. Нетрудно видеть, что в выражении (10), в сущности, фигурирует телесный угол пропускаемого нейтронного пучка. Поэтому для нашей оценки мы заменим телесный угол £la=TtR2IL2 на максимально допускаемый Оп=0тФт, отвлекаясь тем самым от реальности такого угла наблюдения. Тогда при размерах мишени в плане 5=10x10 см1 и коэффициенте прозрачности коллиматора альфа-частиц /са=0,5 приходим к оценке ожидаемой скорости счёта

n = F0—NSk d^-o я 5-103 импУс к 4к

(N - концентрация атомов углерода в газе, равное при 1 атм числу Лошмидта).

К произведённому расчёту следует сделать ряд оговорок. Во-первых, данная оценка основаывается на самых первых членах разложений соответствующих выражений в ряды, а высшие члены отброшены без анализа. Во-вторых, не учтено возможное изменение угловой ширины нейтронного пучка в глубине канала. В-третьих, как уже сказано, самый угол расхождения пучка нейтронов выбран достаточно произвольно. Тем не менее полученная оценка дает основание рассчитывать на пригодность предложенного метода спектрометрии быстрых нейтронов для установок управляемого термоядерного синтеза. Увеличение чувствительности детектора (приблизительно на два порядка), необходимое для работы при меньшей мощности реактора, вполне реально и может быть осуществлено простым наращиванием объёма.

Что касается второй из указанных выше реакций, 160(n,p)lsN, то она может также оказаться перспективной. Зависимость энергии протона от угла вылета (характеризуемая производной 8ЕРо1дЗ = -0,0107 МэВ/град.), менее крутая, чем для (п, а)-реакции, что позволяет увеличить угол пропускания коллиматора протонов примерно до 8°. Меньшие удельные потери энергии протонов допускают большую толщину мишени. Достигаемое благодаря этому увеличение чувствительности с избытком

В итоге можно констатировать, что окончательного выбора нейтронного спектрометра для установки ИТЭР еще не сделано и поиски новых вариантов или комбинаций продолжаются.

Один из таких вариантов предложен в представленной диссертации. В работе предложен и опробован метод спектрометрии быстрых нейтронов, основанный на использовании кинематических соотношений пороговых двухчастичных ядерных реакций типа (л, а) или (п,р) на углероде или кислороде в газонаполненных детекторах, содержащих метан или углекислый газ в качестве рабочего газа. Предлагаемый спектрометр нейтронов сочетает в себе некоторые черты упомянутых выше разработок. Регистрация нейтронов происходит по продуктам ядерной реакции в веществе детектора, а именно, реакций типа (п,а) или (п,р) на легких ядрах. По рассмотрении возможных реакций нейтронов с лёгкими ядрами были признаны заслуживающими внимания две реакции: 12 С(п, а)9Ве и 1бО(и,/?)15К.

Регистрация альфа-частиц или протонов осуществляется в задней полусфере (т.е. при угле вылета более 90°) с помощью импульсной ионизационной камеры. Энергия нейтрона определяется по энергии вторичной частицы с помощью кинематического соотношения:

для реакции М1 + Мг = Мз + М4 + О

(М3 + ЛГ4)2} 3 ] Мх М3Е1 |

где Эз - угол вылета частицы с массой Мз.

Угол вылета более 90° выбирается с тем, чтобы исключить регистрацию ядер и протонов отдачи (сечение упругого рассеяния п-р составляет 0,67 барн при Еп=14,1 МэВ). Представляется весьма заманчивым использовать в качестве мишени и рабочего вещества ионизационной камеры один и тот же газ, например СЩ или СОг. Принципиальное устройство спектрометра должно быть примерно таким, как показано на рис.2. Геометрия детектора может быть плоской либо цилиндрической. В первом случае коллиматор представляет собою решётку из плоских наклонных пластин. Во втором случае рис.2 следует рассматривать как сечение вдоль оси, а пластины коллиматора конические. Таким образом, спектрометр будет обладать пороговыми свойствами как вследствие эндотермичности реакции, так и

Злагодаря наличию коллиматора вторичных частиц, который выделяет жданный угол вылета и в котором погибнут частицы малой эмерт ии.

Проведённые оценки показали, что плоская конструкция тредпочтителытее. Несмотря на то, что в цилиндрическом детекторе (торичные частицы, вылетающие из мишени, регистрируются по всем тзимутальным углам, эффективная площадь этого детектора определяется щаметром канала, ограниченным по условию допустимой потери энергии коричных частиц на поперечнике канала. Плоский же детектор допускает ^ограниченное наращивание в ширину, секционирование, даже тспользование, при надобности, мишени в виде твердой плёнки, - словом, :му свойственна еще и большая гибкость. Поэтому далее будут изложены тетодика расчета и полученные оценки эффективности детектора плоского тша.

Во второй главе диссертации проводится расчёт детектора плоской юнструкции (расчёт цилиндрической геометрии также произведён и 1ынесен в Приложение к диссертации).

поток

НЕЙТРОНОВ

\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ /////////////////////////-

ОБЪЁМ ■ ДЕТЕКТОРА

ОБЪЁМ МИШЕНИ

КОЛЛИМАТОР

Рис.2. Схема принципиального устройства предлагаемого спектрометра

нейтронов.

Устройство детрктора поясняется рисунком 3, на котором представлено тродольное сечение макета. Поток быстрых нейтронов входит в канал, »дновременно являющийся и мишенью, вдоль узкой стороны. Альфа-истицы, возникающие в канале по реакции пС(п, а)9Ве, могут попадать в >бъём ионизационной камеры только под определённым углом, проходя квозь пластинчатый коллиматор. Проведённые расчеты и эксперименты ;ыполнены именно для указанной реакции; о возможности использования >еакции (п,р) ниже будет сказано отдельно. Предполагается, что мишень

Гсрмоввод Верхняя Анод Коллиматор

Рис.3. Продольное сечение макета детектора нейтронов.

образована метаном СН4, заполняющим канал. Следует иметь в виду, что ионизационной камере регистрируется только часть энергии альфа-частш: за вычетом потерь при прохождении коллиматора, находящегося в рабоча газе.

В диссертацйоной работе рассмотрены возможные источник! статистической погрешности при измерении энергии нейтронов такш способом. Энергия нейтрона Еп вычисляется по энергии альфа-частицы Е и углу вылета Э; связь этих трёх величин дается соотношением (1). I наоборот, Еп~Еп{Е,х() ,9). Дисперсия измерения энергии нейтрона можс быть выражена суммой

О^ОЕ+О^О.+О.+Ор+Оф+Ое+О^ (2

Вычисление частичных дисперсий, слагающих данное выражение проведено путём разложения в ряды по малым параметрам.

Поток нейтронов

Рис.4. Конфигурация и размеры ячеек коллиматора.

Безразмерные параметры а, и у характеризую! конструкцию ллиматора (см. рис.4):

г а ;

■п;

<лд30 ■ У

(3)

Предполагается, что пучок нейтронов формируется коллиматором с 'нкцией пропускания

ея(Ф,Э) = 1

НУ, N

-Фт <Ф<ФГ

-©„, < е < э„

(4)

При этих условиях частичные дисперсии получаются в виде:

с1Е

——1 (Ощ+ Вр ) - дисперсия, характеризующая энергетическое \с!Еа]

зрешение ионизационной камеры, причём Вн - флуктуации ионизации, а а - вклад шумов электроники.

Флуктуации ионизации можно оценить по известной формуле [8]:

дРу дх.

= 4те4z2NZ

(5)

г е - элементарный заряд, г - заряд частицы, N - концентрация молекул ружающей среды, а 2 - число электронов в молекуле (все величины в иницах системы СГСЭ).

1 г

1с1Е„

Тг^У

dx

- дисперсия потерь энергии в канале (удельные потери берутся при начальной энергии а-частиц);

(6а)

Он =

¿Е,

с1Е„

с!»

^Ёп

¿а

^Ёп

dS

О

7 112|}4

0„ =

=

о, =

1201 + уЧ с!х

6(1+у2) \ 7

120 (1 + уТ

720' т

х—В2Ф?„ 36

- вклад потерь энергии в коллиматоре (удельные потери энергии а-частиц берутся при выходе из коллиматора);

- за счёт конечной ширины окна коллиматора альфа-частиц;

- вследствие непараллельности пучка нейтронов (Фт -расходимость пучка в плоскости мишени, 0т - в перпендикулярной плоскости).

(66)

(бв)

(бг)

(бд)

(бе)

(бж)

Как обычно, требования хорошего энергетического разрешения и возможно большей чувствительности противоречат друг другу. Чувствительность детектора пропорциональна произведению

6 ~ ОтФта РО

(7)

Пять параметров, характеризующих конструкцию детектора (а, р, 0га, Фт, й), следует назначить таким образом, чтобы произведение (7) было наибольшим, в то время как сумма (2) не превосходила заданного предела. Высота коллиматора к едва ли может рассматриваться как свободный параметр, ибо она в большой степени связана возможностью конструктивного выполнения коллиматора, а также длиной пробега альфа-частиц в газе.

Поиск оптимума осложняется наличием перекрестного члена в суммарной дисперсии, поэтому задача не решается аналитически. Для макета было принято следующее распределение ошибок. Обозначая

2

а

2

6

(В)

- "долю конструкции" в полной дисперсии, назначаем

0а=03 = Ро = 0&У ; (9а)

Оф = 0,10' ; (96)

Ор < 0,1 Э' ( или ^ 0,1 Э' , смотря по тому, какое из условий более ограничивает параметр р);

(9в)

< 0,2 й' . (9д)

Ка основании вышеуказанных расчётных формул бьта сделана оценка

чувствительности детектора к нейтронному излучению при использовании

реакции 12С(п,а)9 Ве.

В качестве мишени и рабочего газа для данной реакции был выбран

метан СН4 при давлении 1 атм.

Из кинематических соотношений находим, что при энергии нейтронов

£по=14,0 МэВ и угле вылета 120° начальная энергия альфа-частиц

составляет Еаъ-Ъ,51 МэВ. Связь между энергией нейтрона, углом вылета и

энергией альфа-частиц характеризуется следующими производными:

г)Е г>Е

= 2,00 ; —- = -0,057 МэВ / з рад. = - 3,266 МэВ /рад

оЕо0 дЗ

Величина "конструктивной" дисперсии, введённой выше формулой (8), принимается равной

0,0162 МэВ2,

что формально соответствует энергетическому разрешению

^2^0=2,1°/,. ^ПО

Тогда согласно (6) и (9) получаем: Угловая ширина пучка нейтронов: ©т=о,043 рад = 2°,5 ;

Фт=0,32 рад = 18°,5 . Параметры коллиматора альфа- а = 0,049 ; Р = 0,24, истиц:

цшчём Фщ ограничивается условием (9д), налагаемым на £>рФ, а Р-

*исперсией потерь в коллиматоре.

Толщина газовой мишени: ¿1-0,78 мм.

Ширина щели коллиматора принимается равной а=0,5 мм с учётом юзможности изготовления. Тогда высота коллиматора получается Л=10,1 ■ш, а длина щели ¿=2,4 мм. Телесный угол, пропускаемый коллиматором шьфа-частиц, составит Г2а=аР51п9о=0,010.

Таким образом, все необходимые размеры назначены.

Еп [МеУ]

Рис.1. Спектр излучения термоядерной плазмы (РЕ) по реакции 4+1 при температуре ионов 71=3,5 МэВ и спектр излучения стенки камеры токамака ^УЕ), рассчитанные для спектрометра с разрешением 2,5%. [1- (.1.КаПпе) ]

На выходе проектируемого канала нейтронов ноток нейтронов может постигать 2x109 нейтроиов!{см2с). Это значит, что от детектора не требуется большой эффективности регистрации, но возникает проблема радиационной стойкости. Вместе с тем необходимосгь достижения статистической точности за время накопления 0,1 с (с такой временной дискретностью требуется отслеживать параметры плазмы) не позволяет иметь эффективность хуже 105. При этом энергетическое разрешение должно быть не хуже 2-3%. Дополнительно. следует учитывать такие параметры, как габариты, вес, стоимость, удобство в эксплуатации.

К настоящему времени уже предложен ряд конструкций для спектрометрии быстрых нейтронов [1-7]. Среди них можно отметить спектрометр протонов отдачи, энергия которых измеряется магнитным спектрометром [4]. При многих достоинствах прибор имеет существенный недостаток - громоздкость. Его вес достигает 20 т, а габариты не позволяют его применять для измерений профиля плазмы. Тем же недостатком обладает прибор на основе времяпролётного метода [2,3]. Среди малогабаритных приборов почти идеальным по совокупности свойств ■ придставляется детектор на основе естественного алмаза [7, 1-(А.В.Красильников)]. Б этом детекторе для регистрации нейтрона используется пороговая (гс,а)-реакцня на углероде. К недостаткам его следует отнести необходимость отбора пригодных кристаллов алмаза и ограничение диапазона измерений только областью энергий выше порога реакции (6,19 МэВ).

искупает меньшее сечение реакции (п,р). Правда, пробег протонов в газе при нормальном давлении слишком велик (»20 см), что заставляет думать о повышении давления в детекторе. К сожалению, для реакции (п,р) нельзя провести такую же оценку эффективности, какая сделана для реакции (п.а), так как параметры, по которым ведется разложение в ряды, оказывются вовсе не малыми. Поэтому вопрос о применимости реакции (п,р) должен быть предметом более строгого численного расчёта либо эксперимента.

В третьей главе диссертации описан макет нейтронного спектрометра и экспериментальная проверка его свойств.

Макет представляет собой цилиндрический герметичный сосуд, который можно наполнять любым газом. Внутри сосуда смонтирован коллиматор альфа-частиц и плоская ионизационная камера. Коллиматор выполнен в виде стопки наклонных пластин из дюралюминия сечением 0,5x2,5 мм. Прозрачность получившегося коллиматора равна 0,35, т.е. несколько ниже величины 0,5, принятой в расчётах. Для входа нейтронов в торцевом фланце сделано тонкое окно. Предполагается, что пучок нейтронов будет ограничиваться каким-либо внешним устройством. Продольное сечение детектора изображено на рис.3.

Размеры решётки коллиматора в плане составляют 50x100 мм.

Ионизационная камера образована промежутком между верхней плоскостью коллиматора и плоской верхней крышкой. Крышка изолирована от корпуса и может служить анодом либо катодом; в последнем случае в промежуток вставляется рамка с проволочным анодом ( диаметр проволок 0,05 мм, шаг 2 мм ). Благодаря наличию коллиматора все треки альфа-частиц, проникающих в камеру, должны иметь одинаковый наклон, поэтому нет принципиальной необходимости в применении сетки: все импульсы должны быть одинаковой формы.

Принципиальных вопросов, которые можно решить экспериментально с помощью макета, два: во-первых, какого энергетического разрешения можно реально достичь с использованием ионизационной камеры; во-вторых, каковы будут побочные эффекты при регистрации быстрых нейтронов и можно ли будет выделить нейтронную линию в сигналах детектора.

Для проверки работы ионизационной камеры использовался образцовый спектрометрический источник Яа-226. Спектр альфа-излучения источника состоит из четырёх линий примерно равной интенсивности, обусловленных распадом радия и его продуктоз. Однако энергии альфа-частиц (4,750; 5,455; 5,968 и 7,653 МэВ) существенно больше, чем у частиц, ожидаемых по реакции пС(п,а)9 Ве (3,57 МэВ). Поэтому источник закреплялся на некотором расстоянии под коллиматором с тем, чтобы

треки наименее энергичных частиц заканчивались в объёме ионизационной камеры так же, как это должно быть при регистрации нейтронов. Для остальных групп альфа-частиц пробег слишком велик, и они пересекают всю камеру и впиваются в верхнюю крышку. Оказалось, что энергетическое разрешение камеры в такой конфигурации составляет 8,7% (за вычетом шумов предусилителя).

Дополнительно проверка работоспособности камеры была сделана с наполнением смесью из 2 атм аргона и 1 атм азота. В этом случае пробеги трёх групп а-частиц укладываются в объёме камеры. Энергетическое разрешение в этом варианте (без коллиматора альфа-частиц) составило 3...4%.

Помимо калибровки а-исгочником, был проведён эксперимент по оценке чувствительности спектрометра к фоновому нейтронному и гамма-излучению. Эксперимент проводился на циклотроне Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН.

Источником нейтронов и -/-квантов служила бериллиевая мишень, бомбардируемая ускоренными а-частицами. При выбранной энергии а-частиц 4,065 МэВ спектр излучения нейтронов состоял из трёх групп с энергией 1,15-1,44; 4,78-5,05 и 9,40-9,68 МэВ, причём только одна из групп имеет энергию :вышс порога реакции (п,а) на углероде.

Гамма-излучение мишени состояло из линий 4,44 МэВ (83%) и 7,65 МэВ (17%). Для разделения вклада нейтронов и у-квантов между источником излучений и детектором помещалась сменная защита в виде нейтронстопа (полиэтилен с добавкой бора, толщиной 8 см) или нейтронстопа плюс свинец 2 см. При токе ускоренных а-частиц 0,07-0,08 мкА плотность потока нейтронов на входном окне детектора была порядка 103 см2с1, что слишком мало для имитации излучения плазмы ИТЭР при учёте небольшого размера макета. Поэтому регистрируемый сигнал обусловлен не ядерными реакциями нейтронов с газовой мишенью, а нейтронами и у-квантами, проникающими непосредственно в объём ионизационной камеры. Чувствительность детектора к фоновому излучению оценивалась отношением числа зарегистрированных импульсов в диапазоне энергий 2 МэВ ± 10% (в этом интервале лежит энерговыделение а-частиц, образующихся в газовой мишени детектора при регистрации нейтронов с энергией 14,1 МэВ) к полному числу нейтронов или,у-квантов, вылетающих в телесный угол, перекрываемый ионизационной камерой.

Эксперимент показал:, что чувствительность к нейтронному фону не превышает 2х10-7, а к гамма-излучению - 9x10-6 . Эти результаты необходимо использовать при конструировании системы коллимации в окончательном варианте спектрометра.

Заключение

1) Проведён комплексный анализ методов спектрометрии быстрых нейтронов применительно к жёстким условиям полномасштабного термоядерного эксперимента с дейтериево-тритиевой плазмой.

2) Предложен оригинальный вариант спектрометра быстрых нейтронов, эснованный на использовании кинематических соотношений пороговых двухчастичных ядерных реакций типа (п,а) или (п,р) на углероде или шслороде в газонаполненных детекторах, содержащих метан или углекислый газ в качестве рабочего газа.

3) Сделан детальный расчёт конструкции, эффективности и шергетического разрешения предложенного спектрометра.

4) Проведено испытание макета спектрометра на потоках нейтронов и -амма-квантов, полученных в реакции ускоренных на циклотроне альфа-тастиц на бериллии.

5) Получены оценки чувствительности спектрометра к фону нейтронов и ^амма-квантов, необходимые для дальнейшего совершенствования метода.

Основные результаты диссертационной работы опубликовать в работах:

1. V.O.Naidenov, V.G.Kiptily, A.Marko and D.V.Skorodumov. A neutron spectrometer for thermonuclear plasma diagnostics based on kinematics of threshold nuclear reactions- In; News and Views in Physics and Astrophysics, Proc. of International Workshop, Helsinki-St.Petersburg И Ed. G.E.Kocharov, 1997, pp .46-53.

2. Д.В. Скородумов, В.Г. Киптилый, А. Марко, B.O. Найдёнов, И.Н. Чугунов. Расчёт и экспериментальная проверка макетного детектора для :пектрометрии быстрых нейтронов. - Препринт / ФТИ им. А.Ф. Иоффе №<7t3. -CPS'., /99£. —25с.

Цитированная литература.

1. Diagnostics for experimental thermonuclear fusion reactors // Ed. by P.E. Stott,

3. Gorini and E. Sindoni.-New York and London: Plenum Press, 1996.

2. T.Elevant et al., A neutron spectrometer for ITER // Rev. Sei. Instrum. 68 [1994) 16.

3. M.Hoek et al., Simulation of the neutron and proton transport in the 14 MeV neutron time-of-flight spectrometer TANSY // Nuclear Instrum. and Methods in Phys. Research A322 (1992) 248.

4. ХКдИпе and Enge, Proton recoil spectrometer for plasma neutrons II Nuclear Instrum.and Methods in Phys. Research A311 (1992) 595.

5. T.lguchi et al., Conceptual design of neutron diagnostic system for fusion experimental reactor // Fusion Engineering and Design 28 (1995) 689.

6. T.Elevant et al., Silicon surface barrier detector for fusion neutron spectroscopy//Rev.Sci.Instrum. 57 (1986) 8.

7. В.Д.Ковальчук и др., Алмазный детектор как спектрометр быстрых нейтронов // ПТЭ, №1 (1995) 29.

8. Экспериментальная ядерная физика // Под ред. Э. Сегре - М.: Изд.-во иностранной литературы, 1955, т. 1.

Лицензия ЛР №020593 от 9.0

Подписано в печать ОЧ.ЗЬ. Объем в пл. 1,0 . Тирах ¡00 ■ Заказ № Zil .

Отпечатано в Издательстве СПб ГТУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29