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Kompaktes Neutronenspektrometer für die Fusionsforschung charakterisiert.

29.12.2011

Im Rahmen eines von der EFDA (European Fusion Development Agreement) geförderten Projekts wurde ein kompaktes Neutronenspektrometer charakterisiert. Zur Auswertung wurde ein neues Analyseprogram entwickelt, das auf der Plattform ROOT des CERN basiert. Das Spektrometer wird am Joint European Torus (JET, Culham, UK) zur Messung der bei Fusionsplasmaentladungen entstehenden Neutronenspektren eingesetzt.

Neutronendetektoren auf Basis eines flüssigen organischen Szintillators wie NE213 bzw. BC501A sind bei hinreichend guter Charakterisierung und Anwendung von mathematischen Entfaltungsverfahren in der Lage, die spektrale Neutronenflussdichte im Neutronenenergiebereich von ca. 1,5 MeV bis ca. 20 MeV mit hoher Energieauflösung zu messen. Die Charakterisierung wird mathematisch durch einen Satz von Antwortfunktionen beschrieben, die die erwarteten Signale beim Einfall von monoenergetischen Neutronen einer bestimmten Energie wiedergeben.

Ein solcher Detektor wurde mit einem digitalen Datenaufnahmesystem in den Neutronenreferenzfeldern der PTB für den Einsatz als kompaktes Neutronenspektrometer mit hoher Energieauflösung am Fusionsexperiment JET charakterisiert. Dazu wurden Messungen in Neutronenfeldern mit 8 MeV, 10 MeV, 12 MeV, 14 MeV und in einem Neutronenfeld breiter Energieverteilung durchgeführt. Die Eigenschaft, dass diese Felder mit einer Nanosekunden-Pulsstruktur vorliegen, erlaubt die Anwendung der Flugzeitmethode zur genauen Bestimmung der Neutronenenergie und die Trennung der Neutronen mit nomineller Energie von niederenergetischen Beiträgen (Abb. 1, breite Verteilung bei hohen Werten der Flugzeit ("Time-Of-Flight", TOF) im großen Bild). Die Signale des Detektors und Referenzsignale des PTB-Zyklotrons werden von dem digitalen Datenaufnahmesystem mit 200 MHz und einer Auflösung von 14 bit aufgezeichnet (Abb. 1, kleines Bild). Aus der Zeitdifferenz zwischen Detektorsignal und Referenzsignal ergibt sich ein Flugzeitspektrum (Abb. 1, großes Bild), aus dem sich mit der genau bekannten Flugstrecke die Neutronenenergien berechnen lassen. Für das Neutronenfeld breiter Energieverteilung können durch Auswahl von Bereichen im Flugzeitspektrum für beliebig wählbare Neutronenenergien im Energiebereich von ca. 1,5 MeV bis 17 MeV Pulshöhenspektren der Detektorsignale erzeugt werden. Abb. 2 zeigt die gute Übereinstimmung der so erzeugten Pulshöhenspektren mit denen, die in den monoenergetischen Referenzfeldern aufgenommen wurden.

Abbildung 1 : Flugzeitspektrum (großes Bild) für das 14 MeV Neutronenreferenzfeld. Aus den mit dem digitalen Datenaufnahmesystem aufgenommenen Signalverläufen (kleines Bild) wird die Flugzeit ("Time-Of-Flight", TOF) zwischen dem Detektorsignal (erster breiter Peak) und den Referenzsignalen des Zyklotrons (zweiter und dritter Peak) berechnet. Der rote Balken markiert das gewählte Flugzeitfenster. Aufgrund der Signalverarbeitung (Startsignal vom Detektor, Referenzpuls des Zyklotrons als Stoppsignal) ergibt sich für das Flugzeitspektrum eine Flugzeitachse von rechts nach links.

Abbildung 2 : Vergleich des Pulshöhenspektrums für das Neutronenfeld breiter Energieverteilung (WF) mit einer Auswahlbedingung für einen schmalen Neutronenenergiebereich im Vergleich zu dem Pulshöhenspektrum, das für das 14 MeV Neutronenreferenzfeld (nur ein Ausschnitt um den 14 MeV Neutronenpeak wurde ausgewählt, vgl. Abb. 1) bestimmt wurde.

Mit einem neuen Analyseprogramm, das auf der Plattform ROOT [1] des CERN basiert, wurden für 30 Energieintervalle Pulshöhenspektren selektiert und damit die Ergebnisse aus Rechnungen mit einem Monte Carlo Programm angepasst. Ergebnis dieses Verfahrens sind die experimentell und rechnerisch bestimmten Antwortfunktionen des Detektors für monoenergetische Neutronen für den Neutronenenergiebereich von 1,5 MeV bis 17 MeV. Zur Überprüfung wurde das gemessene Pulshöhenspektrum des Detektors für das breite Neutronenfeld mit diesen Antwortfunktionen entfaltet und das Ergebnis mit dem Resultat der Flugzeitmethode verglichen. Abb. 3 zeigt die gute Übereinstimmung der auf diese Weise bestimmten spektralen Neutronenflussdichten und bestätigt die Eignung der so gewonnenen Antwortfunktionen des Detektors für hochauflösende Neutronenspektrometrie in einem großen Energiebereich.

Abbildung 3 : Durch Entfaltungsverfahren bestimme spektrale Neutronenflussdichten für den Fall, dass die experimentell bestimmten Antwortfunktionen (rot) bzw. die gerechneten und an die experimentellen Daten angepassten Antwortfunktionen ("Response Matrix", RM) des Detektors (blau) benutzt wurden, vergleichen mit der spektralen Neutronenflussdichte, die sich direkt aus der Flugzeitmessung ("Time-Of-Flight", TOF) ergibt.