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《中国科学技术大学》 2018年
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EAST托卡马克上聚变中子诊断技术研究

钟国强  
【摘要】:中子作为核聚变反应释放能量的主要载体,不受磁场约束且穿透能力极强,是磁约束聚变能开发利用和辐射防护研究的重点。对中子进行诊断测量不仅可以获得等离子体聚变核反应和辐射防护的相关信息,还可用于快离子输运,高能粒子激发的不稳定性以及各种辅助加热机制研究。EAST托卡马克装置主要采用氘等离子体放电运行,氘氘聚变中子产额最高可达1015n/s(设计值)。发展中子诊断系统,监测聚变中子产额、发射率分布及能谱,对于EAST高参数运行时的辅助加热及快离子输运研究至关重要。本论文工作主要围绕EAST装置上的中子诊断系统设计、集成开发、刻度测试和数据处理来开展。根据装置运行参数和计算获得的中子注量率分布,设计了四路中子注量、六道中子相机以及一套中子能谱测量系统。中子注量时间演化测量系统采用235U裂变室和3He正比计数管探测器组合设计,以满足EAST装置中子产额跨六个量级的测量需求。中子相机利用六支液体闪烁探测器,经聚乙烯和铅组成的屏蔽体准直,对上半平面等离子体中子发射率分布进行观测。中子能谱测量使用BC-501A闪烁体探测器,依靠反冲质子法对等离子体芯部区域的DD聚变中子能量分布进行测量。中子注量、相机和能谱测量系统结合EAST装置窗口法兰及外围空间布局,并遵循总控通讯和数据采集接口协议,完成了软硬件系统的嵌入集成。基于LabVIEW和MATLAB平台,自主开发了高速数字化仪的应用控制软件和信号分析处理(PSD、PHA)程序,实现了中子测量的核脉冲信号全数字化采集与分析处理。采用静电加速器和同位素放射源(Am-Be、252Cf、137Cs、22Na),分别对中子注量探测器的绝对探测效率,相机各道的相对探测效率,液闪谱仪的能量道址和反冲质子能量响应函数进行了刻度。利用EAST等离子体放电产生的DD聚变中子,对中子注量测量的均方电压采集和脉冲计数采集进行交叉等效刻度。此外,测试了多关节遥控机械臂搭载252Cf中子源进入EAST装置内真空室,开展中子原位刻度实验。利用各项刻度实验获得的结果,分别对中子诊断测量的数据进行分析处理。中子注量测量结果经反推计算,得到聚变中子总产额随时间的演化。相机测量的信号通过脉冲形状甄别、幅度分析以及分时计数处理,获得了中子发射率分布剖面。液闪探测器测得的反冲质子脉冲幅度谱,采用解谱程序(MXD_MC32、GRV_MC32)反解计算以后,得到了DD聚变中子能谱。上述各项中子诊断系统投入EAST放电实验后,均测得有效数据,达到了预期目标。在ICRF少数氢离子加热模式(MH)下,分别通过中子总产额和能谱计算得到了等离子体芯部的离子温度,与弯晶谱仪测量结果偏差约±15%。归纳了该加热模式下,中子产额与ICRF耦合功率及等离子体电流的关系,获得的定标律为:Sn = 2.6 × 1012 · PRF1.48·IP2.51。开展NBI短脉冲注入实验(blips),测得1号NBI左源注入时的聚变中子衰减时间τn_ex ≈ 11.4ms,推算出电子碰撞慢化时间Tse ≈ 55.7 ms。观测到了高功率NBI注入期间,高能粒子激发的不稳定性(FB、TAE)导致中子产额下降的实验现象。对比分析了 NBI同向与反向束注入时中子产额和剖面分布的时间演化,发现反向注入时束离子损失较严重。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TL631.24

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