東北大学ヘリアック装置における閉じ込め改善モード

2009.3.17
第12回若手科学者によるプラズマ研究会
JT-60Uにおける
中性子-ガンマ線弁別多視線計測
石井啓一、岡本敦、篠原孝司 A、石川正男 A、
馬場護 B、磯部光孝 C、北島純男、笹尾眞實子
東北大学大学院工学研究科量子エネルギー工学専攻
日本原子力研究開発機構 A
東北大学サイクロトロン・RIセンター B
核融合科学研究所 C
1
背景
 JT-60Uでは重水素プラズマによる実験が行われ、以下に
示すような放射線が主に発生する
 DD反応による2.5 MeV中性子
 DT反応による14 MeV中性子
壁材料との核反応によるg線
荷電粒子による制動放射線
 中性子発生率の空間分布計測を行うことにより、様々な情報
を得ることができる
 JT-60Uのように、中性粒子ビームとバルクのプラズマによる核融合
反応が支配的な環境における高速イオンの挙動
 中性子発生率の空間分布から自己加熱源となるa粒子の発生分布
2
JT-60Uにおける中性子分布計測
 7本のコリメータアレイを用い、中性子発生率の線積分値を計測
ポロイダル断面に対して斜め視線6本、垂直視線1本
 中性子検出器にはスチルベン結晶
(f 1 in×t1 in)を使用
E49786 7.2s
 シンチレーション光の放出
 反跳陽子(中性子)
 電子(g線)
Chord 2
Chord 7
Chord 3
Chord 4
Chord 5
Chord 6
Chord 1
スチルベンは中性子だけでなくg線も感度が
あるため、中性子とガンマ線の弁別(n-g弁
別)が必要
3
アナログ回路を用いたn-g弁別
 光電子増倍管(PMT)の下流に設置されたアナログ弁別回路を用いてn-g弁別が
行われてきた
⇒ ~1×105 cpsで飽和現象が見られる
 この問題を解決するため、2006年よりデジタル信号処理を用いた中性子計測を
開始した[1]
Photomultiplier
計数率の飽和
[1] M. Ishikawa et al., Rev. Sci. Instrum.77, 10E706 (2006).
Circuit for
discrimination
Stilbene
crystal
4
Digital Signal Processors system
光電子増倍管のアノード信号を高速のアナログ-デジタルコンバータ
(Flash ADC)に直接取り込む(縦軸分解能10 bit)
 アノードからのアナログ信号を一定のサンプリングでデジタイズ
 Flash ADCのメモリにデータが蓄積された後、PCに転送
JT-60Uにおける通常の計測時
データサイズ： 7 GB (1 GB×7 chord)
 サンプリング： 200 MS/s (最大8 GS/s)
 計測時間
：約2.7 s (200 MS/s 時)

5
デジタルデータ解析用ソフトウェア
 記録されたデータは、ソフトウェアに
よりオフラインで解析
E49813 chord 1
2 GS/s
 ソフトウェアを用いたn-g弁別には電
荷積分法を採用
波形解析のために要求される機能
 連続波形からのパルスピーク検出
⇒ デジタイズされたデータの最大値
を”height”として記録
⇒ ピークが検出された時刻情報を保持
“Qfast” “Qslow”
 検出した各パルスに対して3つの領
域にて積分を実行
⇒ “Qfast”, “Qslow”, “Qtotal”
 パイルアップ事象の除去
 パルスの減衰時間
中性子
g線
: 長い
: 短い
中性子由来、g線由来のパルスの減衰時間
が異なることを利用して弁別
6
n-g弁別のための2次元プロット(1)
 1放電につき、~106個程度のイベントが発生
 height vs. Qslow/(Qfast+Qslow)空間に1パルスにつき1点をプロット
⇒ 2次元プロットを n-g 弁別に使用
中性子とg線の2つのピーク群を確認
200 MS/s
g
DT
 低波高部において、2つのピークが
完全に分離していない
Height

g
n
DD
Qslow/(Qslow + Qfast)
中性子の領域にg線が混入する恐れがある
7
n-g弁別のための2次元プロット(2)
200 MS/s
g
 2次元プロットの新たなパラメータを提案
⇒ 全積分値Qtotalで規格化したQslow vs. Qfast
n
中性子とg線グループが明確に分離
従来の弁別と新しい弁別方法を比較
1) 新たな2次元プロットにて中性子のグループを選択
200 MS/s
2) 選択したパルスのみを従来の2次元プロットに再変換
 低波高部分での中性子とg線の分離に成功
 新たな2次元プロットには、一部の高エネルギー
g線が中性子のグループに混入
⇒ 再変換後には容易に分離が可能
8
g線混入の原因
 新しい弁別において、高エネルギーのg線が混入する原因を調査
⇒ 高サンプリング(2 GS/s)データを使用して、パルス波形を解析
2 GS/s
2 GS/s
高波高g線
低波高g線
 高波高、低波高の2つの領域からg線の
パルス波形を取得
⇒ 20パルスの平均値を対数表示
 波高により、パルス形状が異なる
 高波高では傾きが２つ ⇔ 低波高では3つの傾き
9
2重n-g弁別
2つの2次元プロットの特長を生かし、より精度の高いn-g弁別を実現
 従来の弁別方法
⇒ 高エネルギー部に最適
 新しい弁別方法
⇒ 低エネルギー部に最適
1. 新しい2次元プロットを使用して中性子を選択
2. 従来の2次元プロットに変換し、高エネルギーg線を除去
10
トリトン燃焼
DD中性子
D + D → 3He + n (2.5 MeV) ～50 %
D + D → p + T (1 MeV)
～50 %
D + T → 4He + n (14 MeV)
DT中性子
 DT中性子を計測することにより、トリトンの閉じ込め
に関する情報が得られる
11
中性子発生率の時間変化
波高分布において2つの領域を設定
⇒ DD中性子、DT中性子それぞれに
対する発生率の時間変化が得られる
200 MS/s
 DD中性子、DT中性子発生率の時間変化を
同一の検出器で同時計測することが可能
 DT中性子が定常となるまでの時間がDD 中
性子よりも遅れていることを確認
 1 MeVトリトンの減速時間との比較が必要
12
ELMによる中性子発生率の変化
 端部局在モード(ELM)の発生に同期した
中性子発生率の変動を観測
⇒ 高計数率での計測が可能となり、時間分
解能が向上したため
 周辺視線(Chord5,6)にて顕著
 中心視線ではChord 2のみ顕著
 300 ms間における中性子計数率の平均
値からの変動を評価
 中心視線(Chord 2)と周辺視線(Chord
5)には計数率の減少に位相差が存在
 中心視線の減少は周辺視線よりも~5 ms
程度の遅れ
 今後の解析により、高速イオンの影響を
検討
⇒ ELMに伴いバルクプラズマの密度も減少
しているため、切り分けが必要
13
検出器の較正
E49786 7.2s
Chord 7
Chord 3
Chord 5
Chord 1
http://www.naka.jaea.go.jp/etc/h20/gaiyou_fns.html
 日本原子力研究開発機、核融合中性子源施設(FNS)にて7本の検出器
の絶対較正を予定
 4本の検出器に関して、DT中性子にてデータを取得
⇒ 解析中
14
まとめと今後の課題
 デジタル信号処理を用いたn-g弁別について、Qtotaldにて規格化したQfast、
Qslowをパラメータとした2次元プロットを導入した。従来の2次元プロットと
併用した2重弁別によって精度の高い弁別が可能になった。
 DSPシステムにおいて弁別精度が向上したことにより、同一の検出器で
信頼性の高いDD中性子、DT中性の同時計測が可能となった。
 DT中性子発生率の時間変化がDD中性子よりも遅れることが観測されて
おり、今後1MeVトリトンの減速時間やシミュレーションとの比較・検討が
必要である。
 DSPシステムの導入により、高計数率環境下における計測が可能となっ
た。これに伴って中性子発生率の時間分解能が向上し、ELMに同期した
変動が観測された。
 7本の検出器は感度較正が行われていないため、来年度JAEA核融合中
性子源施設(FNS)において較正実験を行う。既に一部の検出器に関して
データを取得しており、今後解析を進める。
15
ELMによる中性子発生率の変化(2)
 中性子発生率の変動率を増加分に
ついても評価
 増加・減少ともに同程度の変動率
 Haのスパイクは中性子発生率の
減少フェーズと同期
 周辺視線(Chord 5)の方が中心視線
(Chord 2)よりも2倍程度高い変動率
 Chord 2は中性子発生率の高い中
心部を見込んでいるため、周辺部の
影響が現れにくい可能性
⇒ 時間遅れについて説明できない
 ELMに伴い、周辺部から中心部に
向かって不純物が侵入している
可能性
16
最大波高値の変動
 高計数率環境下での計測において、PMTから出力されるパルスの最大
波高値が変動する現象が観測
DD中性子の波高はほとんど変化が見られない
最大波高値の低下
波高変動は高波高部のみに起こる可能性
g線のピークが2本存在
DD中性子の
最大波高
ピークの形状が変化していることからゲイン変
動時にパルスが相似でなくなることを示唆 17
波高変動を含むデータの解析
 最大波高の変動を含むデータでは、通常の方法で弁別することが出来ない
⇒ 最大波高の変動が無視できる程度の時間幅に区切る
 時間幅を区切ることで、2次元プロットを
用いたn-g弁別が可能
⇒ 全時間に対して弁別することで、発生率
の経時変化が得られる
 計数率の時間変化が小さければピーク
形状はほぼ不変
0.0 ≦ time ≦ 0.2
0.9 ≦ time ≦ 1.4
1.4 ≦ time ≦ 1.5
18
解析の自動化
n-g弁別の解析手法が確立したことにより、解析の自動化を検討
 E48824の放電で選択した中性子領域
を、E48826のデータに適用
⇒ ピーク位置がずれたことにより、
一部中性子の取りこぼしが発生
別放電(E48824)で選択した領域
 ピーク位置のずれに関する特徴
 ピーク位置がずれる放電と、ずれない
放電とが存在する
 同一の実験シリーズであっても、ピーク
位置のずれが突如として生じることが
ある
 ピーク位置がずれる原因を調査中
ピーク位置のずれが生じる問題を解決
することにより、自動解析を実現可能
別放電(E48824)で選択した領域
19
積分領域の変更
 7本の検出器すべてが同じパルス波形
であると仮定
⇒ 全ての検出器に対して同一の積分領域
で電荷積分法を実行
一部の検出器において、DT中性子とg線との
分離が不明確
積分領域の変更
 各検出器ごとに積分領域を変更する
必要がある
⇒ 積分領域変更後、DT中性子が明確に分離
 7本全ての検出器に対して、同一の
検出器にてDD中性子、DT中性子を
同時検出可能
20

Download Report