[論文レビュー] Fast Neutron Detector for Fusion Reactor KSTAR Using Stilbene Scintillator

Seung Kyu Lee, Byoung-Hwi Kang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2011

Nuclear Physics and Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、KSTAR核融合炉用に、ステンレススチンキレーターを用いた高速中性子検出器を提案する。デジタル電荷パルス波形識別（PSD）を用い、全電荷対部分電荷比分析により、強力なガンマ線背景から2.45 MeVの高速中性子を効果的に区別する。2011年KSTARキャンペーン中に、高磁界下でも中性子・ガンマ線識別と信頼性の高い検出が成功した。これは核融合プラズマ診断用途における性能の妥当性を裏付けた。

ABSTRACT

Various neutron diagnostic tools are used in fusion reactors to evaluate different aspects of plasma performance, such as fusion power, power density, ion temperature, fast ion energy, and their spatial distributions. The stilbene scintillator has been proposed for use as a neutron diagnostic system to measure the characteristics of neutrons from the Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) fusion reactor. Specially designed electronics are necessary to measure fast neutron spectra with high radiation from a gamma-ray background. The signals from neutrons and gamma-rays are discriminated by the digital charge pulse shape discrimination (PSD) method, which uses total to partial charge ratio analysis. The signals are digitized by a flash analog-to-digital convertor (FADC). To evaluate the performance of the fabricated stilbene neutron diagnostic system, the efficiency of 10 mm soft-iron magnetic shielding and the detection efficiency of fast neutrons were tested experimentally using a 252Cf neutron source. In the results, the designed and fabricated stilbene neutron diagnostic system performed well in discriminating neutrons from gamma-rays under the high magnetic field conditions during KSTAR operation. Fast neutrons of 2.45 MeV were effectively measured and evaluated during the 2011 KSTAR campaign.

研究の動機と目的

• KSTAR核融合炉の高磁界環境で信頼性高く動作可能な高速中性子診断システムの開発。
• 高度な信号処理技術を用いて、強力な放射線環境下での効果的な中性子・ガンマ線識別を達成すること。
• 10 mmのソフト鉄磁気シールドとFADCベースのデジタル化を施したカスタマイズされた中性子検出システムの性能評価。
• 実際のKSTAR実験キャンペーン中に、検出効率とバックグラウンド抑制の両面でのシステムの妥当性を検証すること。

提案手法

• 高速中性子検出のため、速い減衰時間と高い中性子感度を有するステンレススチンキレーターの使用。
• 全電荷対部分電荷比に基づくデジタル電荷パルス波形識別（PSD）を用い、中性子およびガンマ線信号を分離。
• 高分解能パルス波形解析を可能にするために、フラッシュアナログ・デジタルコンバーター（FADC）を用いてシンチレーション信号をデジタル化。
• KSTARの強い磁界からの干渉を最小限に抑えるために、10 mmのソフト鉄磁気シールドを実装。
• 検出効率および識別能力の評価のため、252Cf中性子源を用いた実験的キャリブレーションと性能テスト。
• 時間窓内での電荷積分に基づき、パルス波形特性を分析し、ガンマ線バックグラウンドからの中性子イベントを区別。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KSTARトカマックの高磁界条件下において、ステンレススチンキレーターを用いた中性子検出器は、効果的な中性子・ガンマ線識別を達成できるか？
• RQ2 強いガンマ線バックグラウンド下で、2.45 MeVの高速中性子に対するこのシステムの検出効率はいかほどか？
• RQ3 10 mmのソフト鉄磁気シールドは、高磁場核融合環境下で信号の整合性と検出器性能を保持するためにどの程度効果的か？
• RQ4 全電荷対部分電荷比分析に基づくデジタルPSD技術は、リアルタイムの核融合炉診断において中性子イベントを信頼性高く同定できるか？

主な発見

• ステンレススチンキレーター検出器は、デジタル電荷パルス波形識別を用い、支配的なガンマ線背景から2.45 MeVの高速中性子を効果的に識別した。
• KSTAR核融合炉の高磁界環境下でも、システムは安定した動作と効果的な信号処理を示した。
• 10 mmのソフト鉄磁気シールドは、磁界干渉を顕著に低減し、運転中の検出器性能の維持に寄与した。
• 252Cf源を用いた実験的検証により、高速中性子の検出効率が確認され、信頼性の高い中性子測定能力が裏付けられた。
• 全電荷対部分電荷比分析に基づくデジタルPSD手法により、リアルタイムデータ取得において中性子とガンマ線信号の正確な分離が実現された。