超导托卡马克上中子诊断

HT-7超导托卡马克上中子诊断和中子辐射行为的实验研究答辩人答辩人::陈珏铨陈珏铨导师导师::朱玉宝朱玉宝专业专业::等离子体物理等离子体物理目录™第一章引言™第二章中子测量原理™第三章中子产额和中子通量的计算™第四章中子测量系统™第五章中子通量测量与分析™第六章HT-7辐射剂量测量与分析™第七章论文工作总结™发表文章目录第一章引言在大等离子体电流（1MA）托卡马克上中子诊断的应用概况国内：西南物理研究院的HL-1和HL-2A托卡马克上做过中子测量中子测量意义和目标™在热核聚变反应中，无论是氘氘或氘氚聚变均伴随着大量中子产生，通过测量中子的产额和通量，可以研究各种放电条件、加热方式及运行模式下聚变反应功率及其时间、空间分布；研究高温等离子体芯部的磁流体不稳定性、等离子体约束、破裂和大破裂；测算其它聚变产物如质子、氚、3He、α粒子等的产额；评估聚变中子对器壁和周边物质的活化效应，对环境的影响，辐射剂量及其分布，对于堆材料，特别是第一壁与诊断仪器的辐射损伤；开发新的低活性抗中子辐射新材料，设计聚变中子倍增包层和聚变燃料氚的增值包层等等。因此，在聚变装置上，对中子的测量和中子行为的实验研究受到聚变界越来越多的重视。™随着近年来HT-7超导托卡马克上热核聚变实验研究的快速发展，等离子体温度越来越高、密度越来越大、放电维持时间越来越长，热核聚变的反应率不断提高，聚变中子产额与通量分布的探测及相关物理研究就变得越来越重要。为此，需要对一定参数条件下的托卡马克总中子产额及其周边通量分布进行计算与系统的测量。™HT-7运行时产生一个复杂的瞬发混合辐射场，进行辐射剂量测量与分析非常必要。对于将来更长脉冲更高参数的放电，辐射剂量测量和辐射防护对于装置的安全运行将越来越重要。™为不久的大型全超导EAST装置上的中子诊断积累经验，也为中国更好更积极地参加ITER国际协作作铺垫。第二章中子测量原理中子通量测量方法和常用探测器™二，核裂变法。核裂变法主要用来测量中子通量，比如裂变电离室。™三，活化法。活化法就是将某些元素放置于中子照射之下，形成放射性同位素，然后测量它们的放射性，从而推算出它所接受的中子数。这种办法原理简单，测量手续却很麻烦，但是还常用作强中子通量的测量。对于热中子，常用的活化材料是铟、银和金等，对于快中子，可以先慢化，然后再用热中子活化材料。™四，伴随粒子法。伴随粒子法就是测量在一定立体角内出射的伴随粒子数，这就等于测定了相应立体角内出射的中子数，因此可以比较准确地测量中子通量。™一，核反应法。核反应法通常用来探测慢中子通量，也可以用来测量快中子能谱。比如气体探测器BF3正比计数管、3He正比计数管和硼电离室以及ZnS（Ag）闪烁探测器。右图是我们所用中子探测器中的两种活性物质（10B和3He）与中子反应的截面随中子能量的变化图，两种截面随中子能量的变化趋势基本一致。中子能谱测量简介™一，核反应法－3He正比计数管。核反应产物的能量是与中子的初始动能有关的，所以测定反应产物的总能量，它减去反应能Q，就可以求得中子能量。™二，反冲质子法。通过记录中子与原子核弹性碰撞后的反冲核的能量来得到中子能量。™三，飞行时间法。其原理很简单，就是基于测量中子飞行时间来确定中子能量。该方法关键在于它要求中子必须是在同一时刻从同一地点出发的。在磁约束聚变实验装置中，这个要求很难达到。™原则上，通过中子能谱分布测量可以直接测定离子温度，不过这要求高分辨地测量中子能谱。因为，当等离子体中离子的速度分布是麦克斯韦分布时，它们进行热核反应所产生的中子能谱是高斯分布，而分布的半高宽与成正比。™在HT-7上由于受总中子产额和实验诊断窗口的限制，在实验上要实现这个测量还是有困难的。ikT第三章中子产额和中子通量的计算HT-7上氘氘聚变中子产额的计算94955669.0,107756259.5,307336.19,100018602.2)/exp()1(3321413/123/231=×==×=−+=−−−γσγaaaTaTTaavDDβα)1)((),()1)((),(220220+−=+−=artTtrTartntrnDDDDϕθσdRrdrdvnNDDD×=∫∫∫2282110当放电参数nD0＝1.0×1013cm-3，R=122cm，a=27cm，TD0=1keV，Alpha=Beta=1.0时，经过计算可得总中子产额N=8.08×108/S中子通量的计算(二维方法)中子通量随水平距离的变化（装置中平面）中子通量随中心离子温度的变化中子通量的计算(三维方法&不考虑屏蔽效应)中子通量随水平距离的变化（装置中平面）中子通量随极向角ω的变化计算结果与讨论™上述的计算方法要满足以下条件：1）离子速度分布函数必须是麦克斯韦分布，离子速度分布中若有少量的高能尾部，就会使中子产额大大增加，反过来说，这在实验上提供了一个检验分布函数是否是麦克斯韦分布的间接方法，即将由中子测量计算得到的Ti值与其它方法得到的Ti值相比较；2）中子必须是由热核反应过程产生，因为在放电过程中还存在一些杂散中子源。首先，在四壁和限制器上可能吸附氘离子，当快离子打到其上时，将会发生聚变反应而产生中子，由于很弱，一般可以忽略，其次是逃逸电子通过电致分裂或光核反应产生中子。™由密度分布因子引起的中子产额计算误差一般18％，由离子温度引起的中子产额计算误差一般51％。™温度和密度及其分布形态是影响聚变中子产额的主要因素。根据中子通量计算，空间某一个固定点的通量是随空间探测点到等离子体中心距离L和极向角而变化。在装置内侧空间的中子通量要比装置外侧空间大；真空室内中子通量普遍比真空室外高。第四章中子测量系统中子探测器国产BF3正比计数管（ZJ1306），尺寸是Ф50×348mm，灵敏长度为255mm，充气压力为500mmHg，热中子灵敏度为25c.s-1pern.cm-2s-1，工作电压1700V，坪长300V，坪斜1%/100V进口3He正比计数管（133NH30/5）。尺寸是Ф50×410mm，灵敏长度为300mm，充气压力为375cmHg，热中子灵敏度为133c.s-1pern.cm-2s-1，工作电压1400V，坪长400V，坪斜0.5%/100VST-207型ZnS（Ag）闪烁探测器，尺寸是Ф50×20mm，密度为1.45g/cm-3。为了抗干扰，闪烁体和光电倍增管被放置在一个5cm的铅盒里。工作电压为700V中子测量系统电子学方框图国产BH1218放大器国产BH1220型自动定标器国产BH1229N单道前置放大器：国产FH1047(A)；进口ACHNP97BF3正比计数管3He正比计数管数据采集第五章中子通量测量与分析系统简单标定™241Am-Be中子源标定时系统的输出脉冲波形™中子源半衰期：485年，活度：0.013mci，源强：4.7×105/S，中子平均能量：5.0MeV，最高能量是11.5MeV™HT-7放电期间探测系统（BF3正比计数管）输出的脉冲波形™两者脉冲波形一致系统电子学设置和本底测量中子测量空间分布™探测器距离装置中心：N1(2.61m)N2(4.31m)N3(2.26m)N4(2.26m)N5(4.81m)N6(4.81m)™探测器尽可能靠近装置中心™一般情况下，探测器水平放置三种探测器对比(欧姆放电)BF3正比计数管ZnS（Ag）闪烁探测器3He正比计数管BF3正比计数管对比结果：三种探测器测量结果互相一致。2005年HT-7实验2001年HT-7实验由中子通量得到的离子温度和NPA测量的离子温度比较™在放电状态稳定，中心电子密度在1.0～1.9×1013cm-3，中子通量与离子温度的关系呈现了和计算结果相同的规律。™由NPA测量到的离子温度和中子通量反推的离子温度在误差范围内是一致。™产生误差的主要原因是整个反推过程是基于一定条件估算的，而实际放电过程当中不能完全满足条件。在离子温度比较低时，各种测量的误差都偏大。由中子通量推导总中子产额™通过中子通量可以得到总中子产额，见上表。™其中，中心离子密度为1.0×1013cm-3，中子通量的测量点在装置中平面距离装置中心261cm，中心离子温度由中子通量和相关参数反推得到。光中子行为等离子体破裂产生大量光中子等离子体电流剧烈振荡产生大量光中子（长脉冲放电）ICRF加热增强中子通量PICRF™当离子回旋频段波加热等离子体时，三路中子通量信号都有大幅度的上升，而当离子回旋频段波关闭时，通量信号开始缓慢下降。三路中子通量信号（ZZ1/ZZ2/ZZ3）离子回旋波功率信号第六章HT-7辐射剂量测量与分析中子辐射防护介绍和HT-7运行期间辐射场分析™中子在物质中虽然不能直接电离，但是它的动能传递给原子核后，反冲核能够产生电离，中子引起核反应后生成的各种带电粒子也会产生电离。所以中子剂量也可以和X、γ射线一样用mSv作单位，但是中子对人体的危害要比X、γ射线大。™活化的基本原理是：中子被稳定的原子核俘获或与一些核发生核反应形成放射性核。™对于中子的防护问题。除了远距离操作和适当缩短工作时间外，强中子源周围应当加有屏蔽层，如水。从建筑角度看，大都采用厚的混凝土围墙来屏蔽中子。HT-7和将来的EAST装置上用的防护材料主要是混凝土墙。™HT-7放电时由高温热核聚变反应产生一个很强的瞬发混合辐射场。除中子外，主要还有自由电子的辐射（包含回旋辐射，轫致辐射，复合辐射）和束缚电子的线辐射。整个电磁波谱能量范围很宽，我们关心的是X与γ射线。在欧姆放电时不同等离子体密度的中子剂量率™在纯欧姆加热（Ohmic）放电情况下，通常离子温度偏低,中心离子温度一般小于0.6keV，相应的中子剂量率相比其它放电模式低很多。™上图比较了在测量点N1处，在不同的等离子体密度下，中子剂量率随时间的变化。从图中可以明显看到，等离子体密度高的相应的中子剂量率也高。长脉冲放电中子剂量率随测量位置的变化™中子剂量率随测量位置的变化而变化，测量点越靠近装置中心，相应的剂量率越大。™上图是长脉冲放电56780炮的中子剂量率随放电时间变化图。整个放电的过程中中子辐射场强度的空间分布是各个方向不对称的，而且随时间变化。纯欧姆加热等离子体和低杂波加热等离子体的中子剂量率比较从上图中可以得到，相对于纯欧姆放电，在有低杂波加热（LHW）的时候，等离子体参数，尤其是电子和离子温度，得到很大的提高，从而增强了的中子辐射场强度。中子累积剂量随脉冲长度的变化™随着放电脉冲长度的增加，一次放电的中子累积剂量相应增加。™按图中的变化趋势推测，如果将来的等离子体放电达到1000秒，那么一次放电的中子累积剂量约19.5uSv。X、γ射线剂量测量与分析™本实验所用测量仪器为X、γ个人剂量计，由卫生部放射性卫生防护监督监测所生产,用热释光的方法测量。™实验大厅剂量监测点距离装置中心的距离约5.0米。™个人剂量测量结果表明，个人年剂量低于1mSv。所以，时至今日的等离子体物理实验对实验和运行人员以及公众产生的年辐射剂量低于国家规定的辐射安全标准。TimeTotalshotsLongestpulse(s)Personaldose(mSv)DosearoundHT-7(mSv)1317264.020.010.0618681.800.430.109.080.1020.9541132002.12.9～2003.3.292001.11.15～2002.1.122000.4.7～2000.5.12中子造成装置外围部件和实验仪器的活化™HT－7装置外围部件和实验仪器中有很多元素（比如Al、Cu、Fe）都可以俘获中子放出β或γ射线或与中子反应产生中子和放射性核素。™HT-7的长期运行已经使装置外围具有高于一般实验室的放射性。剂量测量结论™实验平台上的年累计剂量已经超过辐射安全标准，我们已经采取了一定的防护措施，如安全门控系统，防护墙，严格的实验操作规范。™按累积剂量评估，HT-7装置每次放电最大的中子累积剂量，在离装置中心2.60m处一般不超过4616nSv/炮水平，以一轮实验放电7000次计算，每