[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于苯乙烯闪烁体的快速中子探测器，用于KSTAR聚变反应堆，采用基于总电荷与部分电荷比分析的数字电荷脉冲形状鉴别（PSD）技术，有效区分2.45 MeV快速中子与强烈的伽马射线背景。该系统在2011年KSTAR实验活动中成功实现了中子-伽马鉴别，并在强磁场环境下实现了可靠探测，验证了其在聚变等离子体诊断中的性能。

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.

研究动机与目标

• 开发一种能够在KSTAR聚变反应堆的强磁场环境中稳定运行的快速中子诊断系统。
• 利用先进的信号处理技术，在强辐射环境中实现有效的中子-伽马鉴别。
• 评估配备10 mm软铁磁屏蔽和FADC数字化的定制化中子探测系统的性能。
• 在实际KSTAR实验活动中验证该系统的探测效率和背景抑制能力。

提出的方法

• 由于其快速衰减时间和高中子灵敏度，选用苯乙烯闪烁体进行快速中子探测。
• 基于总电荷与部分电荷比的数字电荷脉冲形状鉴别（PSD）技术，用于分离中子和伽马射线信号。
• 使用闪光模拟-数字转换器（FADC）对闪烁信号进行数字化，以实现高分辨率脉冲形状分析。
• 采用10 mm软铁磁屏蔽，以最大限度减少KSTAR强磁场对探测器的干扰。
• 利用²⁵²Cf中子源进行实验标定和性能测试，以评估探测效率和鉴别能力。
• 通过分析脉冲形状特征，基于时间窗内的电荷积分，区分中子事件与伽马射线背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于苯乙烯闪烁体的中子探测器是否能够在KSTAR托卡马克的强磁场条件下实现有效的中子-伽马鉴别？
• RQ2 在强烈的伽马射线背景存在下，该系统对2.45 MeV快速中子的探测效率如何？
• RQ3 10 mm软铁磁屏蔽在强场聚变环境中对保持信号完整性和探测器性能方面效果如何？
• RQ4 基于总电荷与部分电荷比分析的数字PSD技术是否能够可靠地实现实时聚变反应堆诊断中的中子事件识别？

主要发现

• 基于苯乙烯闪烁体的探测器成功利用数字电荷脉冲形状鉴别技术，从主导的伽马射线背景中有效区分了2.45 MeV快速中子。
• 该系统在KSTAR聚变反应堆的强磁场条件下表现出稳定运行和有效的信号处理能力。
• 10 mm软铁磁屏蔽显著减少了磁干扰，保持了探测器在运行过程中的性能。
• 通过²⁵²Cf源实验验证了快速中子的探测效率，证实了系统具备可靠的中子测量能力。
• 基于总电荷与部分电荷比分析的数字PSD方法，实现了实时数据采集中中子与伽马射线信号的精确分离。