Istotnym elementem systemu diagnostyki reaktora ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) jest spektrometr neutronów wysokiej rozdzielczości HRNS (High
Resolution Neutron Spectrometer). Projekt koncepcyjny spektrometru dedykowanego do reaktora ITER został przedstawiony w pracy [Scholz2019]. Widma neutronów emitowanych z plazmy fuzyjnej pozwalają określić temperaturę jonów, prędkość obrotową plazmy oraz stosunek jonów paliwa, nT/nD. Intensywności składowych widma neutronowego zależą od nagrzania plazmy i rozkładu jonów w paliwie. Przydatność spektrometru do pomiaru widma neutronów zależy od jego rozdzielczości energetycznej (rzędu kilku procent), która powinna być mniejsza niż termiczne poszerzenie widma przy określaniu temperatury jonów.
Głównym zadaniem HRNS jest pomiar nT/nD w zakresie 0,01÷10, oraz temperatury jonów w zakresie Ti=5÷40 keV z rozdzielczością czasową 100 ms i niepewnością lepszą niż 20%. Zaproponowany spektrometr HRNS zadowalająco spełnia wymagania reaktora ITER, ale jednocześnie ma szereg ograniczeń związanych z konstrukcją, które mogą wpływać na jego możliwości operacyjne. Cały system składa się z 4 spektrometrów (Forward Time-of-Flight – fToF, Back-scattering Time-of-Flight – bToF, Thin Proton Recoil – TPR i Diamond Detector) zapewniających prawidłowy pomiar widma neutronów w szerokim zakresie parametrów plazmy w reaktorze ITER. Zastosowanie techniki czasu przelotu ToF koliduje z ograniczeniami przestrzeni wzdłuż linii pomiarowej ITER ze względu na wielkość, potrzebę aktywnego chłodzenia elektroniki oraz potrzebę ekranowania magnetycznego fotopowielaczy. Brak wystarczającej przestrzeni skutkuje zaburzeniem symetrii pomiaru poprzez ograniczenie liczby detektorów fToF. Spektrometr TPR (wyposażony w detektory krzemowe) wymaga umieszczenia ich w komorze próżniowej, co jest technicznie trudne w środowisku ITER.
Celem niniejszego projektu jest opracowanie nowej koncepcji spektrometru neutronów opartej na pomiarze protonów odrzutu przy użyciu detektora opartego na technologii GEM (Gas Electron Multiplier). Zaproponowana metoda jest oparta na zjawisku rozpraszania neutronów na protonach i wykorzystaniu pomiaru protonów odrzutu do oszacowania energii neutronów zgodnie z zależnością:
gdzie:
𝐸𝑛 – energia neutronu,
𝐸𝑝 – energia odrzutu protonu,
𝜃 – kąt odrzutu protonu.
W ramach niniejszego projektu planujemy zbudowanie pilotażowego systemu detekcyjnego w oparciu o dostępne komercyjnie elementy detektora, tj. folie GEM i struktury elektrod odczytowych, oraz dostępne elementy systemu z uwzględnieniem specjalizowanych układów scalonych (ASIC). System odczytu z układami elektroniki front-end typu ASIC został opracowany przez grupę z Akademii Górniczo-Hutniczej w związku z innymi projektami, m.in. detektorem neutronów opartym na MSGC (Micro Strip Gas Chamber) z konwerterem gadolinowym [Alimov2008], Proton Range Radiography [Wiącek2012], Rentgenowskie obrazowanie fluorescencji [Dąbrowski2016]. Podejście takie umożliwi zbudowanie pilotażowego systemu w skali czasowej zdefiniowanej przez harmonogram programu EUROfusion przy minimalizacji kosztów.
Na podstawie symulacji przeprowadzonych w poprzednim etapie projektu dla różnych możliwych geometrii pomiaru wybrano geometrię przedstawioną schematycznie na Rys. 1. [Scholz2023]. Obszar czynny detektora stanowi warstwa dryfu wypełniona odpowiednią mieszaniną gazową. Neutrony z generatora neutronów są kierowane przy pomocy kolimatora na konwerter wykonany z folii polietylenowej. Generowane protony odrzutu są wstrzykiwane do strefy dryfu detektora, równolegle do folii GEM. Elektrony wygenerowane na skutek jonizacji cząsteczek mieszaniny gazowej przez przelatujący proton są kierowane do pierwszej folii GEM zgodnie z kierunkiem pola elektrycznego w strefie dryfu. Kaskady elektronów powstające w procesie wtórnej jonizacji zderzeniowej w otworkach folii GEM są następnie kierowane do dwuwymiarowej struktury odczytowej i rejestrowane przez elektroniczny system odczytu.
Zarejestrowane sygnały umożliwią rekonstrukcję toru protonu w strefie dryfu, a więc kąta rozpraszania, oraz stratę energii protonu wzdłuż toru w strefie dryfu detektora. Należy przy tym zaznaczyć, że przy użyciu detektora o wymiarach obszaru czynnego 10 × 10 cm2 możemy tylko mierzyć część energii protonu zdeponowanej w detektorze. Przy założonej energii neutronów 14 MeV protony odrzutu rozproszone pod katem 0° mają taką sama energię a ich zasięg w standardowej mieszaninie gazowej używanej w detektorze jest rzędu 2 m. Zaprojektowanie i zbudowanie detektora o takich rozmiarach jest możliwe, ale wykraczałoby to zdecydowania poza ramy czasowe i finansowe obecnego projektu.
Niniejszy projekt został oparty na istotnym założeniu, że detektor umożliwiający zademonstrowanie i potwierdzenie proponowanej metody zostanie zbudowany w oparciu o dostępne komponenty detektora i dostępny dedykowany system elektroniki odczytu. Przeprowadzone symulacje pokazują, że straty energii protonów o stosunkowo niskich energiach do 14 MeV na dystansie ok. 10 cm są specyficzne dla energii początkowej protonu i mogą stanowić sygnaturę początkowej energii protonu, aczkolwiek z ograniczoną dokładnością.
Należy zaznaczyć, że technologia GEM jest wyjątkowo odpowiednia do konstruowania detektorów pozycjo-czułych o dużych powierzchniach bez wprowadzania obszarów martwych, które powstają przy łączeniu indywidualnych modułów detektorów o mniejszych powierzchniach. Przykłady detektorów o wymiarach 163×45 cm2 można znaleźć w pracy [Galavanov2020]. Detektor o takich wymiarach pozwoli na rejestrowania protonów odrzutu o maksymalnych energiach do ok. 18 MeV, tj. odpowiadających kątowi 𝜃 równemu 0 stopni. Wyniki uzyskane dla pilotażowego systemu detekcyjnego zostaną wykorzystane do opracowania koncepcji i projektu dedykowanego detektora, przy uwzględnieniu wymagań i ograniczeń występujących przy reaktorze ITER.
