EAST托卡馬克上聚變中子診斷技術(shù)研究.pdf

1、中子作為核聚變反應(yīng)釋放能量的主要載體，不受磁場(chǎng)約束且穿透能力極強(qiáng)，是磁約束聚變能開(kāi)發(fā)利用和輻射防護(hù)研究的重點(diǎn)。對(duì)中子進(jìn)行診斷測(cè)量不僅可以獲得等離子體聚變核反應(yīng)和輻射防護(hù)的相關(guān)信息，還可用于快離子輸運(yùn)，高能粒子激發(fā)的不穩(wěn)定性以及各種輔助加熱機(jī)制研究。EAST托卡馬克裝置主要采用氘等離子體放電運(yùn)行，氘氘聚變中子產(chǎn)額最高可達(dá)1015n/s（設(shè)計(jì)值）。發(fā)展中子診斷系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)聚變中子產(chǎn)額、發(fā)射率分布及能譜，對(duì)于EAST高參數(shù)運(yùn)行時(shí)的輔助加熱及快離

2、子輸運(yùn)研究至關(guān)重要。
　　本論文工作主要圍繞EAST裝置上的中子診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成開(kāi)發(fā)、刻度測(cè)試和數(shù)據(jù)處理來(lái)開(kāi)展。根據(jù)裝置運(yùn)行參數(shù)和計(jì)算獲得的中子注量率分布，設(shè)計(jì)了四路中子注量、六道中子相機(jī)以及一套中子能譜測(cè)量系統(tǒng)。中子注量時(shí)間演化測(cè)量系統(tǒng)采用235U裂變室和3He正比計(jì)數(shù)管探測(cè)器組合設(shè)計(jì)，以滿足EAST裝置中子產(chǎn)額跨六個(gè)量級(jí)的測(cè)量需求。中子相機(jī)利用六支液體閃爍探測(cè)器，經(jīng)聚乙烯和鉛組成的屏蔽體準(zhǔn)直，對(duì)上半平面等離子體中子發(fā)射率分布

3、進(jìn)行觀測(cè)。中子能譜測(cè)量使用BC-501A閃爍體探測(cè)器，依靠反沖質(zhì)子法對(duì)等離子體芯部區(qū)域的DD聚變中子能量分布進(jìn)行測(cè)量。中子注量、相機(jī)和能譜測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合EAST裝置窗口法蘭及外圍空間布局，并遵循總控通訊和數(shù)據(jù)采集接口協(xié)議，完成了軟硬件系統(tǒng)的嵌入集成?；贚abVIEW和MATLAB平臺(tái)，自主開(kāi)發(fā)了高速數(shù)字化儀的應(yīng)用控制軟件和信號(hào)分析處理(PSD、PHA)程序，實(shí)現(xiàn)了中子測(cè)量的核脈沖信號(hào)全數(shù)字化采集與分析處理。
　　采用靜電加速器和同

4、位素放射源(Am-Be、252Cf、137Cs、22Na)，分別對(duì)中子注量探測(cè)器的絕對(duì)探測(cè)效率，相機(jī)各道的相對(duì)探測(cè)效率，液閃譜儀的能量道址和反沖質(zhì)子能量響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行了刻度。利用EAST等離子體放電產(chǎn)生的DD聚變中子，對(duì)中子注量測(cè)量的均方電壓采集和脈沖計(jì)數(shù)采集進(jìn)行交叉等效刻度。此外，測(cè)試了多關(guān)節(jié)遙控機(jī)械臂搭載252Cf中子源進(jìn)入EAST裝置內(nèi)真空室，開(kāi)展中子原位刻度實(shí)驗(yàn)。利用各項(xiàng)刻度實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果，分別對(duì)中子診斷測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。中

5、子注量測(cè)量結(jié)果經(jīng)反推計(jì)算，得到聚變中子總產(chǎn)額隨時(shí)間的演化。相機(jī)測(cè)量的信號(hào)通過(guò)脈沖形狀甄別、幅度分析以及分時(shí)計(jì)數(shù)處理，獲得了中子發(fā)射率分布剖面。液閃探測(cè)器測(cè)得的反沖質(zhì)子脈沖幅度譜，采用解譜程序(MXD_MC32、GRV_MC32)反解計(jì)算以后，得到了DD聚變中子能譜。
　　上述各項(xiàng)中子診斷系統(tǒng)投入EAST放電實(shí)驗(yàn)后，均測(cè)得有效數(shù)據(jù)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在ICRF少數(shù)氫離子加熱模式(MH)下，分別通過(guò)中子總產(chǎn)額和能譜計(jì)算得到了等離子體芯部

6、的離子溫度，與彎晶譜儀測(cè)量結(jié)果偏差約±15％。歸納了該加熱模式下，中子產(chǎn)額與ICRF耦合功率及等離子體電流的關(guān)系，獲得的定標(biāo)律為:Sn=2.6×1012·P1.48RF·I2.51P。開(kāi)展NBI短脈沖注入實(shí)驗(yàn)(blips)，測(cè)得1號(hào)NBI左源注入時(shí)的聚變中子衰減時(shí)間τn_ex≈11.4ms，推算出電子碰撞慢化時(shí)間τse≈55.7ms。觀測(cè)到了高功率NBI注入期間，高能粒子激發(fā)的不穩(wěn)定性(FB、TAE)導(dǎo)致中子產(chǎn)額下降的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。對(duì)比分析