Применение ядерных методов гамма спектрометрии высокого разрешения для диагностики высокотемпературной плазмы

I.

Актуальность темы

.

Одним из основных объектов исследования диссертации является реакция 9Ве (а, пу)12С, широко известная как экспериментаторам, так и теоретикам. В первую очередь это обусловлено возможностью использования её в качестве генератора нескольких групп моноэнергетичных нейтронов, особенно для исследований в области 6−12 МэВ, где традиционные DDи DTгенераторы неприменимы [1]. Особый интерес эта реакция представляет для астрофизических исследований. Так, например, в работе [2].

О 1 *у обсуждается роль, которую может играть реакция Ве (а, у) С в процессах нуклеосинтеза.

1 9 красных гигантов: возможность образования С. Соответствующий радиоактивный распад состояния 7.66 МэВ является слабой (<1%%) ветвью по сравнению с вероятностью.

12 испускания ачастицы (что означает обратный процесс). Это возбужденное состояние С также может быть получено как результат реакции 9Ве (а, пу)12С для дальнейшего измерения его параметров. Далее, согласно [3], в сценарии гпроцесса, уже сама реакция.

9 12 12.

Ве (а, пу) С может играть определяющую роль в цепочке образования С. При взрыве сверхновых 2-го типа он может образовываться либо в результате тройных столкновений ачастиц, либо в катализируемой нейтронами цепочке 4Не (ап, у)9Ве (а, п)12С, которая может на порядок превосходить по интенсивности в богатом нейтронами окружении. С точки зрения теории, интересен механизм реакции, который представляет собой сложную комбинацию компаунди прямых процессов. Действительно, рассматривая реакцию 9Ве (а, пу)12С как представителя класса Х (а, n) Y можно предположить несколько путей её протекания [4]:

1 о.

• образование компаунд-ядра С с последующим испарением нейтрона;

• срыв нейтрона ядра мишени;

• прямое выбивание ачастицей слабосвязанного нейтрона из мишени;

• срыв налетающей ачастицы.

Первому случаю соответствует изотропное, либо симметричное относительно направления 90° распределение испускаемых нейтронов — если происходит возбуждение многих уровней составного ядра и применима статистическая модель. Второй процесс соответствует сильной обратной направленности диаграммы нейтронного излучения, что о вполне возможно, если рассматривать ядра мишени как систему Ве+n. Два последних процесса трудноразличимы по угловому распределению, поскольку для обоих из них характерна преимущественная направленность вперед. Однако, срыв нейтрона налетающей ачастицы означает рассмотрение последней как комбинации ядра 3Не с нейтроном. В реакции нейтрон срывается, в то время как ядро захватывается в мишени. Однако в данном случае применимость последней модели кажется сомнительной, поскольку ачастица представляет собой сильно связанную систему. Исследованиям кинематики реакций (связанной с их механизмами) можно сопоставить первый из трех основных отмечаемых в работе аспектов актуальности диссертации.

Проведение данного исследования в основном было стимулировано возможностью использования реакции 9Ве (а, пу)12С как диагностической в термоядерной плазме, как это подробно рассмотрено в данной работе.

Процесс синтеза в горящей термоядерной плазме требует постоянного притока энергии для компенсации её потерь. Наиболее перспективный на сегодняшний день режим горения будущих термоядерных реакторов использует реакцию В (Т, п)4Не. Альфа-частицы в этом случае обладают исходной энергией 3.5 МэВ и их замедление (торможение) является одним из основных процессов, определяющих необходимый нагрев. Для обеспечения эффективной передачи энергии фоновой плазме необходимо хорошее удержание ачастиц, что требует понимания (изучения) их поведения в горячей плазме, а также развитие соответствующего диагностического аппарата — как для исследований, так и для мониторинга режима работы будущих промышленных реакторов. Для этих целей, по-видимому, наиболее прямые и информативные измерения могут быть проведены с использованием гаммаспектроскопической методики [5, 6]. Методика позволяет одновременное измерение скоростей различных реакций в плазме, что дает информацию о плотностях и функциях распределения частиц по скоростям (произведения плотностей, некоторые интегральные характеристиках ФР и/или значения ФР в некоторых точках области определения аргументов). Кроме реакции 9Ве (а, пу)12С, которая может быть использована для исследования процессов, происходящих с быстрой компонентой ачастиц, особый интерес в данном исследовании представляет слабая ветвь самой реакции синтеза Э (Т, п)4Не — Б (Т, у)5Не, которая позволяет непосредственно измерять мощность горения. Система коллимированных спектрометров (укамера) может быть использована для восстановления пространственного распределения источников излучения и связанных с ними параметров плазмы. Наконец, возможно исследование временной эволюции процессов. Следует отметить, что как временная так и пространственные координаты образуют параметрические зависимости. С исследованиями термоядерной плазмы связан второй аспект актуальности работы.

Другой важной в исследовании реакцией является 71л (п, п’у)71д*. Ее механизм также интересен как для ядерной теории, так и с точки зрения очевидных практических приложений. Среди приложений напрямую относящихся к рассматриваемым в данной работе вопросам можно отметить, во-первых, связанное с тем, что литий входит в состав нейтронного аттенюатора, исследуемого далее. В результате таких как проводимые здесь исследований реакции, уточняется информация в распространенных ядернофизических базах данных, используемая в частности в МСЫР расчетах. В свою очередь, кроме изучения параметров нейтронных аттенюаторов, эти данные взаимодействия нейтронов с литием актуальны с точки зрения расчётов термоядерных установок: этот элемент также может входить в состав материалов шилда/бланкетов, покрытия стенок, элементов дивертора и т. д.

В первую очередь в рамках применения успектроскопии с использованием сцинтилляторных детекторов измеряются интенсивности линий. При этом лучшее энергетическое разрешение приводит к большему отношению сигнал-шум и возможности разделения близко лежащих линий. Спектроскопия высокого разрешения основана на использовании детекторов из сверхчистого германия. В несколько раз более высокое разрешение последних, кроме упомянутых выше преимуществ, позволяет измерять формы отдельных гамма линий, предоставляя таким образом качественно больший объём информации (вообще говоря, дополнительные одномерные данные по каждому измеряемому упику на спектре). При анализе плазменного эксперимента это означает получение детальных данных о функциях распределений, вплоть до их полного восстановления (высокоэнергетичной части). В частности, это касается ачастиц при.

9 12 использовании анализа ФЛ из реакции Ве (а, пу) С.

При удиагностике горячей плазмы во многих случаях фон может определяться нейтронным излучением. В частности, так происходит в ББ и БТ горящей термоядерной плазме. В процессе синтеза при этом рождаются нейтроны с энергиями 2.5 и 14 МэВ соответственно. Применительно к удиагностике на ИТЕР, сама возможность измерений зависит от эффективного подавления нейтронов [7]. Это определяет требования к оптимизации радиационной защиты спектрометра при проектировании системы [8]. Для улучшения отношения сигнал-шум могут быть использованы специальные вставки в коллиматор, содержащие вещества, поглощающие нейтроны эффективнее, чем укванты. Для разработки такой защиты, включающей выбор вещества поглотителя, необходимо сравнение коэффициентов ослабления уи нейтронных потоков, определяющими же являются расчёты прохождения излучения с максимально подробным учётом возможной геометрии системы и конкретных спектров. При использовании особенно чувствительных к нейтронам НРве детекторов, фактически теряющих способность к спектроскопии высокого разрешения уже при сравнительно небольших дозах такого излучения, требования к защите могут становиться особенно жесткими. Одним из наиболее перспективных материалов для нейтронных аттенюаторов является 61ЛН. В данной работе для обоснования применения конкретных фильтров приводятся расчеты их параметров, при этом учитывается индуцируемое нейтронами в веществе уизлучение, анализ которого также необходим при выборе материала для аттенюатора. Таким образом, основу третьего аспекта актуальности составляют исследования фона и обоснование применения 61лН аттенюаторов для защиты детекторов в экспериментах с термоядерной плазмой.

II. Цели работы.

Целью диссертационной работы является разработка методов диагностики быстрых частиц с помощью анализа зарегистрированных детекторами высокого разрешения допплеровски уширенных форм линий (ФЛ) разрядки дискретных уровней ядер, возбуждаемых в реакциях высокотемпературной плазмы. В соответствие с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

• Разработка методов определения параметров кинематики реакций, в том числе с нахождением коэффициентов, определяющих ФУК. Это включает в себя разработку алгоритмов и кодов расчета таких наблюдаемых величин как ФЛ и угловые распределения (УР) по заданным параметрам кинематики (дальше называемой «первой прямой задачей», связанной с первым аспектом актуальности) и определения искомых параметров по данным измерений на ускорителях (дальше называемой «первой обратной задачей»).

• Разработка алгоритмов и кодов расчета для наблюдаемых из плазмы величин. Включает задачу (вторую «прямую») расчета по заданной модели сценариев плазменного разряда (функциям распределения частиц в пространствах координат и скоростей) ожидаемых ФЛ и сравнение их с результатами наблюдений, а также задачу (вторую «обратную») определения параметров плазмы по наблюдаемым данным.

• Демонстрация возможностей разрабатываемой методики на примере оценки параметров функций распределения (ФР) частиц по наблюдаемым ФЛ и их интенсивностям в конкретных экспериментах с высокотемпературной плазмой.

• Как для нахождения кинематики, так и для плазменных расчетов определение множества эффектов, необходимых к учёту при расчётах и анализе наблюдаемых величин. Такими эффектами могут быть релятивистские поправки, угловые размеры и энергетическое разрешение детектора, торможение частиц и т. д.

• Анализ различных источников фонового излучения при плазменных измерениях.

• Выбор и обоснование параметров нейтронной защиты, в том числе основного поглощающего материала.

III. Научная новизна работы.

Ниже отмечены основные аспекты новизны работы с точки зрения ядерной физики.

7 7.

• Впервые получены данные кинематики реакции 1л (п, п 'у) Тл*.

• Впервые в широком диапазоне энергий налетающих ачастиц восстановлена кинематика реакции 9Ве (а, пу)12С. Для этого впервые разработана и применена модель многопараметрической ФУК, для нахождения поведения которой одновременно использовались большой объём данных ФЛ для различных положений детектора и УР вылетающих частиц и уквантов.

• Впервые получены и параметризованы сечение и функция возбуждения реакции 9Ве (а, пу)12С с ядерным переходом 4.44 МэВ.

Далее приведены аспекты новизны для плазменного эксперимента.

• Впервые проведены измерения ФЛ, зарегистрированных детектором высокого разрешения в плазменном эксперименте.

• Впервые проведен прецизионный анализ ФЛ из плазменного эксперимента (анализ упомянутых выше данных). В этих экспериментах впервые по ФЛ идентифицированы реакции, а также впервые оценены температуры хвостов ФР быстрых частиц. Таким образом впервые продемонстрированы возможности гаммаспектрометрии высокого разрешения для диагностики плазмы.

• б1лН нейтронный аттенюатор впервые успешно применен в плазменном эксперименте. Проведенные в работе расчёты являются первыми, сопоставленными с экспериментальными данными из разрядов в высокотемпературной плазме и использованными таким образом при обосновании нейтронной защиты детекторов в токамаках.

IV. Практическая значимость результатов работы.

Разработанные коды по восстановлению параметров реакции на основе форм и интенсивностей гамма линий учитывают множество разнообразных физических явлений, таких как торможение частиц, релятивистские поправки, угловые корреляции (УК), и могут быть использованы для восстановления данных широкого класса реакций с лёгкими ядрами. Практически без адаптации они могут быть применены к любой реакции с двумя частицами во входном и выходном каналах, позволяя анализируя ФЛ и УР извлекать параметры кинематики. Такие исследования оказываются более эффективными по сравнению с организацией методики совпадений, не столь дорогими, как эксперименты на многодетекторных системах, также применимы в случае, когда сложно или невозможно регистрировать частицы в выходном канале, и, наконец, позволяют легко различать различные ветви реакции при исследованиях УР частиц выходного канала и дифференциальных сечений.

Применение гамма — диагностики высокого разрешения является уникальной методикой получения данных о быстрых частицах в высокотемпературной плазме, позволяя восстанавливать их ФР. Найденные параметры реакции 9Ве (а, пу)12С необходимы для корректной реализации диагностики высокоэнергетичной компоненты ачастиц. Разработанные коды этого этапа работы также могут быть использованы для множества различных реакций в плазме токамака (в данном исследовании.

9 12 12 12 непосредственно применялись для трёх различных реакций: Ве (а, пу) С, С (р, ру) С и 9Ве (3Не, ру) пВ).

V. Личное участие автора.

Все представленные в диссертации результаты получены непосредственно автором или при его активном участии.

Ниже перечислены работы, лично выполненные автором.

• Разработаны коды вычисления параметров кинематики реакции по данным измерений ФЛ и УР регистрируемых продуктов. Коды применены к реакциям 7Li (n, n’y)7Li* и 9Ве (а, пу)12С. Далее полученные данные использовались при анализе ФЛ измеренных в плазме JET.

• Детально исследована реакция 9Ве (а, пу)12С с возбуждением уровня 4.44 МэВ, включая нахождение и параметризацию сечения в широком диапазоне энергийтакже вычисление и параметризацию удельной функции возбуждения уровня для изотропного и одного предельного анизотропного случаев распределения ачастиц.

• Проведен анализ данных в первом эксперименте на JET гаммаспектра с HPGe детектором высокого разрешения (2008 г.) — сценарий эксперимента с дейтериевой плазмой и ион-циклотронным (ИЦ) нагревом малой добавки 3Не. Анализ включал в себя расчеты форм линий 4.44 МэВ (реакции 9Ве (а, пу)12С, 12С (р, ру)12С и 9Ве (3Не, ру) пВ) с целью идентификации доминирующей реакции. Рассчитаны формы линии 4.44 МэВ реакции 9Ве (а, пу)12С впервые зарегистрированной на JET детектором высокого разрешения (2009 г.) — в режимах с ИЦ нагревом 4Не (на третьей гармонике) в 4Не плазме — и оценка температуры высокоэнергичного хвоста ачастиц в этих экспериментах.

• Произведены MCNP расчеты вероятности регистрации укванта в реальной геометрии JET. Исходя из этих расчетов проведено сопоставление абсолютной скорости счета (сильно зависящей от искомой температуры) с ожидаемым её значением.

• Оценены параметры — коэффициенты прозрачности для измеряемого гамма излучения и «паразитного» фонового нейтронного излучения — различных материалов защитных фильтров в различных геометриях. Для получения общей оценки возможностей защиты, результаты для 6LiH фильтров сопоставлены с измерениями параметров ранее изготовленных в ФТИ им. А. Ф. Иоффе фильтров (используя данные испытаний на нейтронных генераторах в г. Сарове, а также данные плазменных измерений на JET).

Автор принимал непосредственное участие в испытаниях нейтронного аттенюатора на токамаке JETв упомянутых первых измерениях на JET с высоким разрешением гамма-излучения, а также приведенных выше первых исследованиях быстрых ачастиц на JET с использованием HPGe детектора (2009 г).

VI. Основные положения, выносимые на защиту.

• Методы расчёта кинематики ядерных реакций на основе прецизионного анализа форм допплеровски уширенных гамма-линий.

• Исследования УР нейтронов в реакции 7Li (n, n’y)7Li при Е&bdquo- =14.9 МэВ с возбуждением уровня ½″ с энергией 0.478 МэВ. Анализ вклада различных механизмов реакции.

• Исследования функции угловой корреляции нейтронов и гамма-квантов,.

О 10 испускаемых в реакции Ве (а, пу) С с заселением уровня 4.44 МэВ в выходном канале.

• Обоснование возможностей спектроскопии высокого разрешения для диагностики высокотемпературной плазмы, включая анализ данных соответствующих измерений на токамаке JET.

• Расчетное и экспериментальное обоснование необходимой защиты детекторов от нейтронных полей с использованием 6LiH аттенюаторов. Включает MCNP расчёты и измерения спектров.

VII. Структура диссертации.

В разделе «общие сведения» обосновывается актуальность исследований и приводится краткое содержание работы.

В главе 1 (Введение) рассмотрены общие вопросы: используемые исходные положения теории и приведен обзор литературы по рассматриваемым проблемам на момент проведения исследования. В главе анализируются и сравниваются различные альтернативные методы диагностики быстрых частиц, приведена информация об используемых для гаммадиагностики детекторах, дан список актуальных реакций и рассмотрены эксперименты, в которых измерены ФЛ и УР реакций, используемые далее для изучения их кинематик.

В главе 2 (Описание методики) рассматриваются модели и подходы используемые и разрабатываемые для решения поставленных в исследовании задач и целей. Приведены значения параметров, в компактной форме описывающих энергетическую зависимость.

О 19.

ФУК для интересующей ветви основной (Ве (а, пу) С) реакции работ. Также в главе формализовано описание парциального сечения реакции в широком диапазоне энергийвместе с данными ФУК формирующее полный набор данных необходимых для плазменных расчетов. Проведена оценка абсолютной величины наблюдаемого потока гаммаизлучения на токамаке JET (зависящая от температуры и других параметров разряда), для чего найдена «удельная» скорость реакции и проведена оценка вероятности регистрации гаммаквантов для этой установки. Наконец, приводится описание и.

7 7 результат анализа реакции Li (n, n’y) Li*, основной целью которого являлся поиск УР исходящих нейтронов.

Глава 3 (Результаты и выводы) посвящена непосредственному использованию разрабатываемой методики при анализе плазменного эксперимента. Анализируются измеренные в разряде ФЛ — с извлечением информации о ФР быстрых частиц в плазме — и делаются окончательные выводы относительно факторов, которые необходимо учитывать — на основе применения методики к эксперименту на JET. Также используя эти данные и результаты MCNP расчетов подводится итог анализа защиты с использованием нейтронных фильтров.

Первая и вторая главы построены с условным дополнительным делением на разделы, соответствующие двум решаемым обратным задачам — исследование механизмов реакций и реакции в контексте их применения для диагностики плазмы — а также нейтронному аттенюатору. Поскольку уже во второй главе приводятся полные данные кинематики, раздел, посвященный механизмам реакций, в третьей главе отсутствует.

В конце диссертации имеется заключение, где перечислены основные результаты работы и помещен список литературы.

Диссертация содержит 11 таблиц и 36 рисунков.

Список литературы

включает 116 наименований.

VIII. Апробация работы.

Основные результаты были получены в период с 2006 по 2010 г. г. По теме исследования автором делались доклады на российских и международных совещаниях и конференциях [9−16]. Опубликованы 6 статей в журналах из списка ВАК [8, 17−21]. Результаты вошли в состав цикла работ научной группы, занявшего первое место в конкурсе работ ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН в 2010 г. и удостоенного премии РАН им JI.A. Арцимовича в том же году. Также представленная в виде самостоятельного исследования работа содержащая последние из результатов полученных в диссертации получила второе место на конкурсе молодых ученых ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН в 2011 г.

IX. Список сокращений.

БД — база данных.

ВЧ — высокая частота.

ДР — дисковое распределение.

ЖРИ — жесткое рентгеновское излучение.

ИНЧ — инжекция нейтральных частиц.

ИР — изотропное распределение.

ИЦ (РН) — ион-циклотрон (ный) (резонансный нагрев).

JICO — лабораторная система отсчета.

НК — начало координат.

ПЛ — полином (ы) Лежандра.

РЭ — релятивистские эффекты.

СК — система координат.

УР — угловое распределение;

УЭ — убегающие электроны.

ФЛ — форма линии.

ФР — функция распределения.

ФУК — функция угловой корреляции.

ЦМ — центр масс.

А — масса (атомный номер).

Е* - энергия возбуждения (ядерного уровня).

Еьп — энергия налетающих (бомбардирующих) нейтронов.

Е&bdquo- - энергия нейтронов (вторичных, вылетающих).

HPGe — сверхчистый германий (детектор, high purity germanium).

Та — температура ачастиц.

Рп (х) — полиномы Лежандра.

W (9) — угловое распределение.

Z — заряд.

Заключение

.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы. Ниже приведены те из них, которые связаны с первым аспектом актуальности — исследованиями ядерных реакций.

• Получено УР нейтронов в реакции 71л (п, п’у)71л. Обоснована необходимость введения дополнительной экспоненциальной добавки, описывающей существенный вылет вперед нейтронов и связанный, по-видимому, с вкладом прямого механизма реакции — выбивания из 71л слабосвязанного нейтрона. Данные сопоставлены с расчётами по оптической модели, не способной удовлетворительно описать такой процесс, и предсказаниями БД ЕЫБР.

• Обоснована необходимость учета ФУК при исследовании механизма реакции.

9 12.

Ве (а, пу) С. Действительно, показано, что без учёта последней принципиально невозможно получить одновременное согласие расчётных данных всех измеряемых величин с экспериментом.

• В компактной и удобной для дальнейшего использования форме найдены параметры, описывающие энергетическую зависимость ФУК и парциального сечения реакции 9Ве (а, пу)12С с возбуждением линии 4.44 МэВ — которые дальше использованы для плазменных расчётов. ФЛ и УР вычисленные по найденным значениям интерполяционных коэффициентов хорошо согласуются с доступными экспериментальными данными. Кроме УК в расчётах были учтены угловые размеры, разрешение детектора и релятивистские поправки. Торможение частиц в мишени и подложке может быть лишь малой поправкой к полученным значениям, и поэтому оно не было учтено в работе.

• Проанализировано влияние релятивистских эффектов на ФЛ и асимметрию УР. Далее приводятся результаты связанные со вторым аспектом актуальности применениям методики в экспериментах с термоядерной плазмой.

• Показана необходимость учёта подбарьерного реагирования при расчёте интегральных ФЛ с характерной температурой ФР в диапазоне менее ~200 кэВактуальном для плазменных расчётов.

• Найдена и параметризована зависимость «удельной» скорости реакции.

9 12.

Ве (а, пу) С с возбуждением линии 4.44 МэВ в зависимости от температуры для изотропного и предельного анизотропного случаев. Она может быть использована для различных, в том числе плазменных и астрофизических исследований, путем введением единственного масштабного коэффициента, характеризующего конкретные параметры проводимых расчетов. В частности MCNP моделированием был найден соответствующий коэффициент, связанный с вероятностью регистрации одиночного укванта на JET, позволивший таким образом использовать эту зависимость для оценки скорости счёта детекторов на JET.

• Первые измерения спектров на токамаке JET с использованием HPGe детектора сопоставлены с расчётом в предположении, что наблюдаемая ФЛ определяется исключительно реакцией 9Ве (а, пу)12С и изотропным распределением ачастиц. Эта гипотеза не получила убедительного подтверждения. Лучшее согласие расчёта с экспериментом возможно в предположении существенного вклада в наблюдаемую ФЛ уквантов из реакции 9Ве (3Не, ру) пВ.

• На примере анализа данных первых экспериментах на JET с измерением линии 4.44 МэВ детектором высокого разрешения (2009 г.) продемонстрированы возможности развиваемой методики и в частности получена оценка температуры а-частиц ($П50кэВ). Оценка величины скорости счёта, которая следует из найденной и параметризованной её зависимости от температуры, оказалась в согласии с наблюдаемым значением. Это согласие является хорошим дополнительным подтверждением корректности развиваемых подходов несмотря на грубость оценок скорости счёта, поскольку последняя сильно зависит от Та. Наконец, следующие выводы могут быть сформулированы относительно третьего аспекта актуальности — связанного с обоснованием нейтронной защиты.

• В работе подробно исследованы параметры защиты, включая сравнительный анализ различных материалов. Несмотря на высокую стоимость 6LiH (в том числе по сравнению с 7LiH), его использование может быть оправдано на ИТЕР — в условиях сильно ограниченного пространства, доступного для построения защиты детекторов. Согласованность результатов расчетов (моделирования) прохождения излучения через нейтронный аттенюатор (являющийся также прототипом решения для ITER) с измерениями на генераторе нейтронов и в плазменном эксперименте является подтверждением корректности проведенных исследований.

Благодарности.

В первую очередь, хотелось бы поблагодарить своих научных руководителей, Пастернака Александра Абрамовича и Чугунова Игоря Николаевича, без серьёзного участия которых диссертация не могла бы быть написана.

За поддержку дома благодарю своих родителей и родных, Гина Бориса Владимировича, Гин Татьяну Александровну, Гин Нину Владимировну, а также Ермакову Ирину Игоревну и, наконец, всех своих друзей. А за поддержку на работе — Шевелева Александра Евгеньевича и всех сотрудников циклотронной лаборатории. Наконец, благодарю наших коллабораторов, совместно с которыми проводились рассматриваемые в работе эксперименты — Киптилого Василия Григорьевича (Великобритания, Калемский центр, JET), Джузеппе Горини и Марко Тардокки (Италия, институт Милано-Бикокка).