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Commissioning and characterization of a scintillating fiber neutron detector for triton burn-up studies in fusion devices

Koschinsky, Jan Paul Bernd

Inst. Theoretische Physik

The aim is to assess the feasibility of triton burn-up studies at the stellarator Wendelstein 7-X (W7-X) with an existing scintillating fiber neutron detector, SciFi. Models are used to estimate triton burn-up and corresponding neutron rates from deuteron (DD) fusion and deuteron-triton (DT) fusion in future deuterium plasmas of W7-X for fast-ion confinement studies. SciFi is equipped and commissioned with a new digital data acquisition system, which is capable of determining pulse heights of scintillation pulses from fully recorded digital waveforms. Characterization studies and settings optimization are carried out in monoenergetic neutron fields at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ion accelerator facility (PIAF), in order to obtain the angle-dependent fluence response of SciFi to DD and DT neutrons. Measurements performed in deuterium plasmas of the tokamak ASDEX Upgrade (AUG) and the stellarator-heliotron Large Helical Device (LHD) provide a proof of principle of SciFi's capability to study triton burn-up time-dependently, since both DD and DT neutron count rates in SciFi qualitatively match model predictions. From these measurements as well as from models of triton burn-up in future deuterium plasmas of W7-X it is concluded that SciFi will also provide sufficient temporal resolution in the range of the slowing-down time of DD fusion-born tritons in high performance plasmas of W7-X, in which DT neutron rates exceed a value of 1e12 per s. This value is exceeded for a modeled neutral beam injection (NBI) heating scenario of W7-X and a thermonuclear scenario, which uses observed density and temperature profiles from a W7-X hydrogen plasma exclusively heated by electron cyclotron resonance heating. The DT neutron rates and triton burn-up ratios in the range of per mille to about one percent are in the same order of magnitude as observed in NBI heated deuterium plasmas of other medium sized fusion devices such as AUG and LHD. The spatial resolution of SciFi will not be sufficient for a profile measurement and in lower performance plasmas SciFi will only yield a discharge integrated triton burn-up measurement. On the one hand, another absolutely calibrated neutron diagnostic (in NBI heated operation at least a fission chamber calibrated for DD and DT neutrons) like a neutron activation system is required for cross-calibration and quantitative triton burn-up studies with SciFi. On the other hand, SciFi might be used to cross-validate other neutron and fast-ion diagnostics, especially in high performance plasmas with high neutron rates, due to the large dynamic range of SciFi, thus high count rate capabilities. Further Monte Carlo modeling, especially of the SciFi detector itself and the neutron propagation at W7-X, is proposed to enhance a quantitative forward model and test whether different detector positions or a detector with more scintillation fibers improve SciFi's physics capabilities significantly.
Ziel ist es, die Durchführbarkeit von Tritonenverbrennungsstudien am Stellarator Wendelstein 7-X (W7-X) mit dem vorhandenen Szintillationsfaserneutronendetektor, SciFi, zu untersuchen. Modelle werden verwendet, um die Tritonenverbrennung und die entsprechenden Neutronenraten aus der (DD) Deuteronenfusion und (DT) Deuteron-Tritonfusion in zukünftigen Deuteriumplasmen von W7-X für Studien zum Einschluss schneller Ionen abzuschätzen. SciFi wird mit einem neuen digitalen Datenerfassungssystem ausgestattet und in Betrieb genommen, das in der Lage ist, die Pulshöhen von Szintillationspulsen aus vollständig aufgezeichneten digitalen Kurvenverläufen zu bestimmen. Charakterisierungsstudien und eine Optimierung der Einstellungen werden in monoenergetischen Neutronenfeldern der Ionenbeschleunigeranlage (PIAF) der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) durchgeführt, um die winkelabhängige Fluenzantwort von SciFi auf DD- und DT-Neutronen zu erhalten. Messungen, die in Deuteriumplasmen des Tokamaks ASDEX Upgrade (AUG) und des Stellarator-Heliotrons Large Helical Device (LHD) durchgeführt werden, liefern einen Grundsatzbeweis für die Fähigkeit von SciFi, die Tritonenverbrennung zeitabhängig zu untersuchen, da sowohl die DD- als auch die DT-Neutronenzählraten in SciFi qualitativ mit Modellvorhersagen übereinstimmen. Aus diesen Messungen sowie aus Modellen der Tritonenverbrennung in zukünftigen Deuteriumplasmen von W7-X wird der Schluss gezogen, dass SciFi auch eine ausreichende Zeitauflösung im Bereich der Abbremszeit von -durch DD-Fusion erzeugten- Tritonen in Hochleistungsplasmen von W7-X bereitstellen wird, in denen die DT-Neutronenraten einen Wert von 1e12 per s überschreiten. Dieser Wert wird für ein modelliertes Neutralstrahlinjektionsheizszenario (NBI) von W7-X sowie für ein thermonukleares Szenario überschritten, das ausschließlich durch Elektronzyklotronresonanzheizung beheizt wird und beobachtete Dichte- und Temperaturprofile eines W7-X-Wasserstoffplasmas verwendet. Die DT-Neutronenraten und der Tritonenverbrennungsanteil, der im Promille- bis etwa Ein-Prozent-Bereich liegt, liegen in der gleichen Größenordnung wie in NBI-beheizten Deuteriumplasmen anderer mittelgroßer Fusionsanlagen wie zum Beispiel AUG und LHD beobachtet. Die räumliche Auflösung von SciFi wird für eine Profilmessung nicht ausreichen und in Plasmen mit geringerer Leistung wird SciFi nur eine entladungsintegrierte Tritonenverbrennungsmessung liefern. Einerseits ist eine weitere absolut kalibrierte Neutrondiagnostik (im NBI-beheizten Betrieb mindestens eine für DD- und DT-Neutronen kalibrierte Spaltkammer) wie ein Neutronenaktivierungssystem für eine Kreuzkalibrierung und quantitative Tritonenverbrennungsstudien mit SciFi erforderlich. Andererseits könnte SciFi verwendet werden, um andere Neutronen- und Schnelle-Ionen-Diagnostiken kreuzzuvalidieren, insbesondere in Hochleistungsplasmen mit hohen Neutronenraten, aufgrund des großen dynamischen Bereichs von SciFi und somit hoher Zählratenfähigkeiten. Weitere Monte-Carlo-Modellierung, insbesondere vom SciFi-Detektor selbst und von der Neutronenausbreitung an W7-X, wird vorgeschlagen, um ein quantitatives Vorwärtsmodell auszubauen und zu testen, ob verschiedene Detektorpositionen oder ein Detektor mit mehr Szintillationsfasern die physikalischen Fähigkeiten von SciFi deutlich verbessern würden.