[논문 리뷰] Fast Neutron Detector for Fusion Reactor KSTAR Using Stilbene Scintillator

Seung Kyu Lee, Byoung-Hwi Kang외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 27.

Nuclear Physics and Applications참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 KSTAR fusion 반응로를 위한 스틸벤즈 광물 빛방출체를 사용한 고속 중성자 검출기의 개발을 제시한다. 디지털 전하 펄스 형상 분별(PSD) 기법을 활용하여 총 전하 대 부분 전하 비율 분석을 통해 2.45 MeV 고속 중성자와 강한 감마선 배경을 효과적으로 구분한다. 2011년 KSTAR 캠프에서 시스템은 고자기장 환경에서도 중성자-감마선 분별 성능과 신뢰성 있는 검출 성능을 입증하였으며, fusion 플라즈마 진단에 적합한 성능을 검증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• KSTAR fusion 반응로의 고자기장 환경에서 신뢰성 있게 작동할 수 있는 고속 중성자 진단 시스템을 개발하는 것.
• 고도의 신호 처리 기법을 활용하여 강력한 방사능 환경에서 효과적인 중성자-감마선 분별을 달성하는 것.
• 10 mm 소프트철 마그네틱 실드와 FADC 기반 디지털화를 갖춘 맞춤형 중성자 검출 시스템의 성능 평가.
• 실제 KSTAR 실험 캠프 기간 동안 시스템의 검출 효율성과 배경 제거 능력을 검증하는 것.

제안 방법

• 빠른 붕괴 시간과 높은 중성자 민감도를 지닌 스틸벤즈 광물 빛방출체를 고속 중성자 검출에 활용.
• 총 전하 대 부분 전하 비율 기반 디지털 전하 펄스 형상 분별(PSD)을 적용하여 중성자 및 감마선 신호를 분리.
• 고해상도 펄스 형상 분석을 위해 플래시 아날로그-디지털 컨버터(FADC)를 사용하여 광신호를 디지털화.
• KSTAR의 강력한 자기장으로부터 간섭을 최소화하기 위해 10 mm 소프트철 마그네틱 실드를 구현.
• 검출 효율성과 분별 능력을 평가하기 위해 252Cf 중성자 원천을 사용한 실험적 校정 및 성능 테스트.
• 시간 창 내 전하 통합을 기반으로 펄스 형상 특성을 분석하여 중성자 사건과 감마선 배경을 구분.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 KSTAR 토카막의 고자기장 조건에서 스틸벤즈 광물 빛방출체 기반 중성자 검출기가 효과적인 중성자-감마선 분별을 달성할 수 있는가?
• RQ2 강한 감마선 배경이 존재하는 상황에서 2.45 MeV 고속 중성자에 대한 시스템의 검출 효율은 얼마인가?
• RQ3 10 mm 소프트철 마그네틱 실드는 고자기장 fusion 환경에서 신호의 무결성과 검출기 성능을 유지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 총 전하 대 부분 전하 비율 분석을 기반으로 한 디지털 PSD 기법이 실시간 fusion 반응로 진단에서 중성자 사건을 신뢰성 있게 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 스틸벤즈 광물 빛방출체 기반 검출기가 디지털 전하 펄스 형상 분별 기법을 통해 2.45 MeV 고속 중성자와 지배적인 감마선 배경을 효과적으로 분리하였다.
• 시스템은 KSTAR fusion 반응로의 고자기장 조건에서도 안정적인 작동과 효과적인 신호 처리 성능을 보였다.
• 10 mm 소프트철 마그네틱 실드는 자기 간섭을 크게 감소시켜 운영 중 검출기 성능을 유지하는 데 기여하였다.
• 252Cf 원천을 사용한 실험적 측정을 통해 고속 중성자의 검출 효율이 검증되었으며, 신뢰할 수 있는 중성자 측정 능력이 확인되었다.
• 총 전하 대 부분 전하 비율 분석을 기반으로 한 디지털 PSD 방법은 실시간 데이터 수집 환경에서 중성자 및 감마선 신호를 정확하게 분리하는 데 성공하였다.