Ondřej Šíla - Bakalářská práce

  • View
    270

  • Download
    5

Embed Size (px)

Text of Ondřej Šíla - Bakalářská práce

esk vysok uen technick Fakulta jadern a fyzikln inenrsk Katedra fyziky Diagnostika plazmatu zaloen na detekci fznch neutron Bakalsk prce Autor: Ondej la Vedouc prce: Ing. Daniel Klr, Ph.D. Akademick rok: 2008/2009 2 3 4 PROHLEN Prohlauji, e jsem tuto prci vypracoval samostatn a e jsem pi jejm psan pouil pouze uvedenou literaturu. Nemm zvan dvod proti uit tohoto kolnho dla ve smyslu 60 Zkona .121/2000 Sb., o prvu autorskm, o prvech souvisejcch s prvem autorskm a o zmn nkterch zkon (autorsk zkon). V Praze dne 15. 7. 2009 Ondej la 5 PODKOVN Chtl bych tmto podkovat vedoucmu m prce Ing. Danielu Klrovi, Ph.D., za velmi cenn konzultace, kter mi v prbhu tvoen tto prce vdy s ochotou poskytoval. 6 ABSTRAKT Nzev prce: Diagnostika plazmatu zaloen na detekci fznch neutron Autor: Ondej la Obor: Fyzikln inenrstv Druh prce: Bakalsk prce Vedouc prce: Ing. Daniel Klr, Ph.D., FEL VUT Abstrakt: Tato prce se zabv diagnostikou deuteronovho plazmatu zaloenou na detekci fznch neutron scintilanmi detektory a provedenou na aparatue PF-1000 v stavu fyziky plazmatu a laserov mikrofze ve Varav. Prce nejprve seznamuje s principem scintilanho detektoru a s teoretickmi zklady, na zklad kterch jsou pak v experimentln sti urovny neutronov energie a z nich vyplvajc energie deuteron v plazmatu vboje plazmatickho fokusu. Klov slova: Plazmatick fokus, scintilan detektor, time of flight metoda Title: Plasma diagnostics based on the detection of fusion neutrons Author: Ondej la Specialization: Physical engineering Kind of work: Bachelor thesis Supervisor: Ing. Daniel Klr, Ph.D., FEL VUT Abstract: This thesis deals with the diagnostics of deuterium plasma based on the detection of fusion neutrons. The measurement was carried out at the plasma focus PF-1000 device in the Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion in Warsaw. Scintillation probes were used for neutron detection. First, the thesis gives an introduction to the principles of neutron and deuteron kinetic energy estimating methods and also introduces with probe used for the detection. The estimations of neutron and deuteron kinetic energies mentioned in the experimental part of the thesis are based on these principles. Keywords: Plasma focus, scintillation probe, time of flight method 7 OBSAH vod.......................................................................................................................................... 8 1. Pin....................................................................................................................................... 9 1.1 Z-pin efekt................................................................................................................... 9 1.2 Bennetova podmnka................................................................................................... 10 1.3 Poruchy a nestability................................................................................................... 14 1.4 Historie Z-pine.......................................................................................................... 15 1.5 Vznam Z-pine v termojadern syntze................................................................... 16 1.6 Zkladn konfigurace magnetickch pin................................................................. 18 1.7 Shrnut nynjho vznamu pine ve vd.................................................................. 19 2. Detekce neutron fznho pvodu...................................................................................... 20 2.1 Diagnostika fznch reakc pomoc neutron............................................................. 20 2.2 Spektrum kinetick energie fznch neutron............................................................ 21 2.3 Stanoven kinetick energie deuteron z kinetick energie neutron........................ 22 2.4 hlov anizotropie v potu neutron......................................................................... 24 3. Scintilan detektory.......................................................................................................... 26 3.1 Typy scintilanch detektor...................................................................................... 26 3.2 Detekce zen gama scintilanmi detektory............................................................ 26 3.3 Detekce neutron scintilanmi detektory................................................................. 27 3.4 Neutronov detekce se scintiltorem Bicron BC-408................................................ 29 3.5 Scintilan detektor na zazen PF-1000................................................................... 31 4. Stanoven energie neutron a deuteron metodou TOF.................................................... 32 4.1 Strun popis zazen PF-1000................................................................................. 32 4.2 Metoda TOF............................................................................................................... 33 4.3 Urovn energie neutron na zazen PF-1000........................................................ 35 4.4 Uren energetickho spektra z asovho spektra...................................................... 40 4.5 Vyobrazen energetickho spektra u vstelu 6540.................................................... 41 4.6 Rozliovac schopnost energie neutron u vstel 8406 a 6540............................... 42 4.7 Diskuze....................................................................................................................... 44 Zvr....................................................................................................................................... 45 Literatura................................................................................................................................ 46 8 VOD Tato prce se zabv zkladnmi poznatky ohledn detekce neutron, kter vznikaj jako produkt fzn reakce dvou srejcch se deuteron. Na souasnm vdeckm poli m neutronov diagnostika nemlo dleit postaven, nebo se v blzk budoucnosti plnuje sputn termojadernch zazen, pro n budou poznatky z detekce fznch neutron jist velmi dleit. V prci se budeme pedevm zabvat urovnm energi neutron, co se v nynj dob jev jako vhodn diagnostika pro uren energi a teplot sluujcch se deuteron. V poslednch 20 letech se neutronov detekce provd na aparatue plazmatickho fokusu PF-1000 v stavu fyziky plazmatu a laserov mikrofze ve Varav. Bhem svho trnctidennho pobytu v tomto institutu jsem se seznmil se zkladnmi stmi zazen PF-1000 a nauil jsem se zpracovvat neutronov a rentgenov signly ze scintilanch detektor rozmstnch kolem plazmatickho fokusu, ve kterm byly provdny vysokoproudov vstely. Prce se sestv ze ty kapitol. Prvn kapitola je vnovna teorii, historii a dnenmu vyuit Z-pine, kter byl od zatku titm vah o sputn zen termonuklern reakce a jeho princip se objevuje v drtiv vtin modernch fznch koncepc vetn tokamak. Ve druh kapitole jsou uvedeny typy fznch reakc, kter jsou v dnen dob uvaovan pro zenou fzi. Je zde kladen akcent na teorii srek sluujcch se deuteron, kter vede k zskn energetickho spektra neutron a ke vztahm mezi deuteronovou a neutronovou energi. Tet kapitola obeznamuje s principem scintilanch detektor, kter slou k detekci neutron, a nsledn se zabv parametry scintilanho detektoru pouitho na zazen PF-1000. tvrt kapitola se zabv experimentlnm vyuitm metody TOF pro uren energie neutron na aparatue PF-1000 a vyuv zrove poznatky z druh kapitoly. Obsahuje tabulkov a grafick vstupy dat, vpoty neutronovch a deuteronovch energi, uren energetickho spektra neutron a zvry, kter z analzy dat plynou. 9 Kapitola 1 PIN 1.1 Z-pin efekt Pedpokldejme, e plazmatem prochz proud j

ve smru, kter je rovnobn s osou z kartzskho souadnicovho systmu. Vytvo se tm zrove azimutln pole B

, kter je kolm na j

a jeho velikost je v pm me k velikosti j

. Vznikne magnetick tlak. Jestlie vezmeme v vahu, e proud v plazmatu protk vnitkem vlce, Lorenzova sla bude (u pi relativn malm j

) ze vech stran stlaovat proudov vlec radilnm smrem dovnit k jeho ose. Dsledkem toho bude urychlen stic uvnit proudovho sloupce, kter srkami vyvolaj rst jeho teploty. Tento jev byl pozorovn u v prvn polovin 20. stolet a americk fyzik L. Tonks mu dal v roce 1937 nzev pin. Pin z ne uvedenho obrzku 1 se podle osy, v jejm smru prochz proud j

, nazv Z-pinem [1]. Obrzek 1.1: Pinov efekt Pinov efekt se vyskytuje hojn v prod, nap. v blescch nebo v prostorech mezi galaxiemi. 10 Ideln bychom chtli generovnm vysokho proudu libovoln zahvat plazmov sloupec. To nememe, nebo s rstem magnetickho tlaku roste i tlak kinetick a v okamiku, kdy nastane rovnovha tchto tlak (a pokud bude v tomto okamiku kinetick tlak dle rst), dojde k expanzi pine. Vyvstv otzka, za jakch podmnek dojde k rovnovze magnetickho a kinetickho tlaku. 1.2 Bennetova podmnka Jednu z cest, jak ve zmnnou otzku teoreticky zodpovdt, ilustruje nsledujc obrzek: Obrzek 1.2: Kruhov prez proudovm sloupcem. R je polomr pin