Подсистема нейтронной диагностики термоядерной установки КТМ

ФИЗИКА КИНЕТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

УДК 621.039.66 : 533.9.08

ПОДСИСТЕМА НЕЙТРОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ТЕРМОЯДЕРНОЙ

УСТАНОВКИ КТМ

В.А. Кудрявцев, A.B. Шарнин

Томский политехнический университет

Проведен анализ возможных принципов детектирования и методов измерения нейтронов на термоядерных установках типа токамак. С учетом имеющихся требований и ограничений определен тип детектора и методика проведения измерений. Разработана структура подсистемы сбора данных с нейтронной диагностики токамака. Проработаны вопросы интеграции подсистемы сбора данных в информационно-измерительную систему термоядерной установки и синхронизации ее работы с другими подсистемами.

Термоядрные установки типа токамак являются в настоящее время наиболее перспективными по созданию и удержанию высокотемпературной плазмы магнитными полями. Выход нейтронов свидетельствует об интенсивности протекания термоядерной реакции и является важным диагностируемым параметром. Зная спектр нейтронного излучения, можно также судить о температура ионов.

Основными термоядерными реакциями, протекающими в плазме установок типа токамак, являются D-D и D-T реакции, проходящие с образованием нейтронов с энергиями 2.4 МэВ и 14.1 МэВ соответственно. В данной статье мы будем рассматривать установки, работающие на дейтерии, в них имеют место только D-D - реакции. В данном случае выход нейтронов не превышает 107 нейтр/(с-см2). При этом для анализа протекающих в плазме процессов требуется иметь энергетическое разрешение меньше 5% и скорость счета больше 105 н/(с-см2).

При детектировании нейтронных потоков с указанными характеристиками могут быть использованы следующие типы детекторов: твердотельные детекторы Si(Li), Ge(Li); неорганические сцинтилляторы Nal(Tl), CsI(Tl), Li I(En) и органические (стильбен, толан, фенилциклогексан) [1]. Перечисленные типы детекторов регистрируют не только нейтронный поток, но и кванты жесткого рентгеновского излучения. Поэтому при проведении измерений необходимо компенсировать сигналы, вызванные жестким рентгеновским излучением. Для выполнения этой задачи на практике используется ряд методов разделения, очень часто связанных с типом используемого датчика.

При выборе в качестве детектора сцинтиллятора может быть использован метод ядер отдачи (TPR). В основе данного метода лежит рассеяние нейтронов на ядрах водорода, при котором появляется протон отдачи и происходит световая вспышка (сцинтилляция). Регистрируя с помощью фотоумножителя интенсивность вспышки света, можно определить энергию нейтрона. Следствием рассеяния нейтронов на ядрах рабочего тела детектора является возникновение ядер отдачи. Чаще всего в качестве радиатора выбирается водород (и-р-рассеяние). Для детектирования нейтронов средних энергий применяют сцинтилляторы, содержащие водород. При определенных условиях импульсы на выходе фотоумножителя линейно связаны со световой вспышкой. Здесь следует отметить, что связь световыхода с энергией частицы неоднозначна, так как нейтроны и протоны рассеяния могут претерпевать вторичное рассеяние на ядрах радиатора. Данный метод позволяет получить требуемое

разрешение по скорости счета, но достичь заданного предела по точности измерений в данном случае невозможно.

Более полную информацию об энергии нейтрона можно получить, используя метод полного поглощения энергии измеряемой частицы. Данный метод основан на эффекте полного или почти полного поглощения энергии измеряемой частицы в твердотельном детекторе. Форма сигнала на выходе детектора излучения зависит не только от энергетических потерь, но и от плотности ионизации вдоль трека, т.е. форма сигнала с детектора определяется видом зарегистрированного излучения. При регистрации детектором нейтронов и жесткого рентгеновского излучения основная трудность в разделении сигналов по форме состоит в том, что сигнал на выходе детектора является суммой полезной составляющей и помехи. При использовании данного метода может быть достигнута погрешность меньше 8%.

Метод временной селекции позволяет получить большую точность по сравнению с рассмотренными выше методами. Суть метода состоит в измерении времени пролета ( протоном расстояния I от первого до второго детектора. Учитывая, что

энергия протонов низких энергий определяется зависимостью Е = ' П0ЛУЧИМ

время пролета протоном расстояния I от первого до второго детектора: I = '

Данный метод позволяет полностью исключить у-фон. Структура времяпролетного нейтронного спектрометра показана на рис. 1.

Детектор1

£7\

Детектор2

Дискр.1

Схема Схема

формирования формирования

выходного выходного

сигналаей1 сигнала сй2

Е

Д искр. 2

СТАРТ

ВАП

- Рис.1. Упрощённая схема счётчика времени полёта (11, <12 - датчики; ВАП - преобразователь времени в амплитуду.

Нейтроны регистрируются при появлении сигналов на выходе обоих детекторов. После того, как частица проходит через первый детектор с11, (сцинтилляцион-ный счетчик), запускается преобразователь времени в амплитуду (ВАП). Преобразование завершается после регистрации протона отдачи во втором детекторе с!2 (81(1.1)- полупровод!Iико вый диод). Амплитуда на выходе преобразователя ВАП будет при этом пропорциональна времени пролета протона отдачи.

Каждый из рассмотренных методов имеет ряд недостатков, поэтому для проведения измерений нейтронного потока целесообразно использовать другой метод (методы) или изменить имеющиеся. Поэтому при построении подсистемы сбора данных было принято решение использовать комбинированный метод. На рис. 2 представлена схема, поясняющая принцип практической реализации этого подхода.

В качестве детектора был выбран пластиковый сцинтиллятор N£102А. обладающий малым временем формирования выходного сигнала - 4-109 с, что обеспечивает требуемую скорость счета нейтронов.

Для компенсации у-фона и уменьшения собственных шумов ФЭУ, используется два ФЭУ. При взаимодействии нейтрона и гамма-излучения с веществом сцин-тиллятора появляется вспышка света (сцинтилляция), поэтому запуск измерения

ФЭУ1

/

Линза

ЫЕ102А пластиковый

сцинтиллятор

Аллюминевая

пластина

ФЭУ2

Вакуумный насос

Рис.2.

детектор

должен осуществляться лишь при регистрации попадания нейтрона в детектор 1. Для этого измеряется амплитуда сигнала и на схеме совпадений проверяется событие попадания нейтрона. В данном случае для определения события попадания нейтрона или у-кванта используется разделение сигналов по форме. Принципы технической реализации данной методики будут рассмотрены ниже при подробном описании структуры измерительного канала. В качестве второго детектора был выбран полупроводниковый Б1(1>1) - диод, регистрирующий протоны рассеяния. При появлении сигнала на выходе 81(1 Л ) диода производится его обработка. Энергия налетающего нейтрона определяется следующим образом:

Ер + -^СЦИН •

Ер ^кинкт

т

Р

и )

Структура подсистемы сбора данных, реализующая комбинированный метод, представлена на рис. 3. Рассмотрим более подробно структуру и элементы данной подсистемы. Так как сигналы с детекторов имеют малую амплитуду, их необходимо усилить, для этого используется предусилитель. Основная функция предусилителя заключается в том, чтобы принять слабый сигнал с детектора, усилить его и передать по кабелю в узел обработки, который состоит из основного усилителя, формирователя импульса, дискриминатора и пересчетной схемы. Любые шумовые сигналы, генерируемые вблизи детектора или в кабеле, соединяющем его с входом предусилителя, будут усиливаться вместе с усилением полезного сигнала, что уменьшает отношение сигнал-шум.

На III уровень ИИС

к> К)

экранированная стойка

Экспериментальный зал

Вакуумная камера

с других измерительных ПОДСИШ£М__

ФЭУ1

Детектор! (Си/нтаг.пят!

в систему высоковакуумно й откачки

ФЭУ2

а

Детектор2

ПУ

ЛУ

ПУ

ЛУ

СУ

лп

УЗ

ВФУ

д

ВФУ

&

Экранмрованн; витая пара

РО

ВФУ

Д

ЛУ

Л

строб

УЗ

гз

старт

ВАП

I

ОКАН УЗ

Рис.3. Структура подсистемы сбора данных

4

-Ц "| т 4=

УМЕ-крей|

(а) -схема формирования сигнала с фотоэлектронных умножителей {ФЭУ1.ФЭУ2): ПУ-лредусилитель, ЛУ-линейный усилитель, СУ-суммирующий усилитель,

(б)-схема быстрых совпадений: ВФУ-время фильтрующий усилитель, Д-дискриминатор,

(в)-схемаформирования выходногосигнала: ,ГЗ-генераторсзадержкой, ВАП-пребразовательвремя-амллитуда, ОКА-однокональныйанализатор,

(г)-схема формирования сигнала с полулроводникового51(и)детектора. ЛП-линейный пролускатель, и-источник питания СЧ-счетчик

!

с первого детектора (Есцин); в 1-й детектор;

в 1-й детектор во 2-й детектор; АЦП - GATE (ворота);

со второго детектора (Екинет).

Данные сигналы позволяют вычислить энергию регистрируемого нейтрона по формулам (1)-(2).

Исходя го требований к максимальной скорости счета 105 нейтр/(с-см2), определяемой исследуемой динамикой протекающих в плазме процессов, необходимо использовать цифровые счетчики со скоростью счета не ниже ЮОкГц и АЦП с периодом оцифровки меньше Юмкс, входом разрешения преобразования (GATE) и входом внешней синхронизации. Для синхронизации работы подсистемы нейтронной диагностики с другими подсистемами автоматизированной системы управления термоядерной установки используется модуль локальной синхронизации (TMG), принимающий сигналы от центрального блока синхронизации и передающий синхроимпульсы в модули УСО.

Проведен анализ возможных принципов детектирования и методов измерения нейтронов на термоядерных установках типа токамак. С учетом имеющихся требований и ограничений определен тип детектора и методика проведения измерений. Разработана структура подсистемы сбора данных с нейтронной диагностики токама-ка. Проработаны вопросы интеграции подсистемы сбора данных в информационно-измерительную систему термоядерной установки и синхронизации ее работы с другими подсистемами.

Литература

1. Прайс В. Регистрация ядерного излучения. - М.: Энергоатомиздат, 1960.

2. Цитович А. II. Ядерная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

УДК 669.87/.88.002.2-154

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГАЛЛИЯ С ЛИТИЕМ

И.А. Тихомиров, A.A. Орлов, Д.Г. Видяев

Томский политехнический университет

Разработана оригинальная физико-математическая модель процесса непрерывного капельного получения галламы лития. Рассчитаны основные параметры установки для получения галламы лития заданной концентрации 0,8^1,0 моль/л. Проведено сравнение результатов расчета с данными экспериментальных исследований.

Современные технологии требуют использования особо чистых материалов. Одной из наиболее сложных задач является получение чистых щелочных металлов (калия, натрия и др.). Для их разделения и очистки щелочных металлов нами разработан экологически безопасный и высокоэффективный галламно-обменный метод [1], в котором используется интерметаллическое соединение галлия с литием - гал-лама лития с концентрацией лития в галлии 0,8-ь1,0 моль/л. Данное соединение целесообразно получать путем прямого растворения лития в галлии (в расплавах металлов).

Нами разработана конструкция установки по непрерывному получению галламы лития капельным способом [1]. Она представляет собой вертикальный цилиндрический реактор, в верхней части которого с помощью перфорированной пластины формируется капельный режим истечения жидкого расплавленного галлия. Капли галлия под действием силы тяжести движутся сначала в атмосфере инертного газа (аргона), а затем в слое расплавленного лития, образуя галламу лития нужной концентрации.