Prof. Dr hab. Marek J. Sadowski Warszawa, 2016.01.02. Zakład Badań Plazmy (TJ5) Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) 05-400 Otwock Opinia o rozprawie doktorskiej mgr Jana Dankowskiego p.t. Principles of spectrometric measurement of fusion plasma products using diamond detectors 1. Tematyka rozprawy Badania gorącej plazmy mają duże znaczenie poznawcze i istotne znaczenie utylitarne, ponieważ stanowią drogę do opanowania nowych źródeł energii, które mają w niedalekiej przyszłości stanowić kontrolowane reakcje syntezy jądrowej izotopów wodoru, tj. reakcje D-D i D-T. Jak wiadomo, badania nad KRS prowadzone są w wielu laboratoriach na całym świecie, a do wytwarzania i utrzymywania gorącej plazmy wykorzystuje się głównie trzy metody: inercyjne utrzymywaniu bardzo gęstej i gorącej plazmy, utrzymywanie plazmy w silnym zewnętrznym polu magnetycznym oraz impulsowe wytwarzanie plazmy w silnoprądowych wyładowaniach typu Z-Pinch i Plasma-Focus. Obecnie za najważniejszy kierunek wielu badaczy uważa badania nad magnetycznym utrzymywaniem plazmy w układach typu Tokamak. W Polsce nie ma dotychczas żadnego układu eksperymentalnego tego typu, ale po włączeniu Polski do programu europejskiego (poprzednio EURATOM-Fusion, obecnie EUROfusion) istnieją możliwości aktywnego uczestnictwa badaczy polskich w różnych eksperymentach prowadzonych w ośrodkach zagranicznych, m.in. na tokamaku COMPASS w Pradze, tokamakach MAST i JET w Culham, a w przyszłości na budowanym obecnie tokamaku ITER w Cadarache. We wszystkich tych układach niezbędne jest wykorzystanie odpowiednich metod diagnostyki plazmy, w tym metod przydatnych do pomiarów różnych produktów reakcji syntezy jądrowej Omawiana rozprawa doktorska mgr J. Dankowskiego dotyczy właśnie badań możliwości praktycznego wykorzystania detektorów diamentowych do pomiarów produktów reakcji syntezy jądrowej, zwłaszcza w tokamakach. Dlatego rozprawę tą można zaliczyć do prac związanych z głównym nurtem badań termojądrowych. 2. Treść rozprawy Recenzowana rozprawa, napisana w całości w języku angielskim, obejmuje 114 stron w formacie A4, w tym 15 stron zawierających: stronę tytułową, podziękowania (po polsku), streszczenia (angielskie i polskie), angielskie spisy treści i ilustracji oraz spisy tabel i zastosowanych skrótów. Zasadniczy tekst rozprawy, który zawiera liczne schematy, rysunki i wykresy, liczy 94 strony i ponad 2 strony spisu literatury. Rozdział 1 rozprawy stanowi wprowadzenie i przedstawia krótkie uzasadnienie podjęcia badań nad stosowaniem detektorów diamentowych do diagnostyki gorącej plazmy deuterowej i deuterowo-trytowej, w której zachodzą reakcje syntezy jądrowej. Autor stwierdza, że w przeszłości wykonano liczne symulacje zachowania detektorów diamentowych oraz porównania ich właściwości z detektorami półprzewodnikowymi z germanu i krzemu. Zwraca jednak uwagę na fakt, że mimo licznych eksperymentów 1
wykonanych przy użyciu detektorów diamentowych, wiele istotnych informacji eksperymentalnych nie zostało podanych w literaturze. Autor stwierdza, że w rozprawie opisał ważne wyniki badań eksperymentalnych, a zwłaszcza spektrometryczne pomiary produktów reakcji syntezy jądrowej, które wykonał przy użyciu detektorów diamentowych. W dalszej części wprowadzenia autor opisuje zwięźle treść kolejnych rozdziałów rozprawy. Następnie przypomina historię badań tokamaków, opisuje schemat typowego tokamaka, reakcje syntezy D-T, D-D i D-He 3, zależność przekroju czynnego tych reakcji od energii i bilans energetyczny układu z uwzględnieniem grzania plazmy cząstkami α. W zakończeniu autor przypomina, że w określonych warunkach obserwacje uciekających cząstek naładowanych umożliwiają ocenę położenia źródeł ich generacji, ale problem stanowią silne strumienie promieniowania elektromagnetycznego i neutronów, które mogą niszczyć detektory. Rozdział 2 rozprawy zawiera omówienie najważniejszych właściwości detektorów diamentowych, opis struktury kryształów diamentu i porównanie ich parametrów z kryształami krzemu i germanu, a następnie zależności opisujące straty energii rejestrowanych cząstek naładowanych i tzw. zdolność hamowania. Autor przypomina, że dla rejestracji cząstka naładowana musi przejść przez tzw. warstwę martwą (tj. cienką warstwę elektrody polaryzującej i materiału tuż pod tą elektrodą). Następnie autor opisuje proces detekcji promieniowania w detektorze diamentowym, podaje wzory opisujące liczbę wytworzonych par dziura-elektron i tzw. pełną szerokość połówkową (FWHM) oraz prędkość dryfu wolnych nośników ładunku w obecności pola elektrycznego i efekt jej nasycenia. Zwraca również uwagę na wpływ czasu życia nośników i podaje zależności na czas wychwytywania (τ t ), czułość (s), czas zbierania ładunków (CCT) oraz wydajność ich zbierania (CCE) i odległość ich zbierania (CCD). W dalszej części omawianego rozdziału autor rozpatruje wpływ mierzonego promieniowania na detektory diamentowe. W pierwszej kolejności opisuje wpływ promieniowania gamma (w funkcji energii fotonów) i zależność liniowego współczynnika pochłaniania fotonów od różnych procesów zachodzących w krysztale oraz wpływ dawki promieniowania na wielkość rejestrowanych sygnałów. Następnie autor rozpatruje możliwości wykorzystania detektorów diamentowych do rejestracji neutronów. Opisuje powstawanie wakansów (luk) w siatce krystalicznej diamentu, wytwarzanych przez szybkie neutrony, nieelastyczne zderzenia neutronów o energii > 4,47 MeV i reakcje neutronów o energii > 6,2 MeV z atomami węgla. Przedstawia też rozkłady energetyczne neutronów, które zostały zmierzone w IFJ przy użyciu detektora diamentowego w przedziale 0,5-8,5 MeV. Podaje także przykłady badań nad wpływem naświetlania detektorów diamentowych silnym strumieniem neutronów termicznych lub neutronów o energii 14 MeV, które wykonano w kilku laboratoriach zagranicznych. Ostatni fragment omawianego rozdziału dotyczy oddziaływania z detektorami diamentowymi szybkich cząstek naładowanych (tj. protonów, deuteronów i cząstek α) i prezentuje wyniki pomiarów zmian wydajności rejestracji detektorów typu scvd i pcvd, które uzyskano w INFN we Włoszech stosując strumień protonów o energii 1,5 MeV. Ta informacja zamyka część rozprawy poświęconą przeglądowi danych z literatury. Rozdział 3 przedstawia opis badań eksperymentalnych wykonanych przez autora rozprawy, a w pierwszej kolejności - parametry badanych detektorów typu scvd oraz schematy układu kalibracyjnego i układów zastosowanych do obróbki rejestrowanych sygnałów. Szczególną uwagę poświęca autor energetycznej kalibracji badanych detektorów z wykorzystaniem opisanej wcześniej linii pomiarowej i wielokanałowego analizatora impulsów. Wykorzystując różne źródła cząstek α autor porównał rozkłady energetyczne, które zmierzył przy wykorzystaniu zwykłych 2
detektorów krzemowych i badanych detektorów scvd. Zestawienie wszystkich wyników omawianych pomiarów pozwoliło mu sporządzić wykres kalibracyjny w przedziale energii cząstek α od ok. 100 kev do 16 MeV. Omawiane wyniki, wraz z analizą błędów, wykazały bardzo dobrą liniowość odpowiedzi badanych detektorów diamentowych. Rozdział 4 przedstawia podsumowanie pomiarów mono-energetycznych cząstek naładowanych, które zostały wykonane z udziałem autora rozprawy. W pierwszej kolejności autor opisuje układ eksperymentalny z akceleratorem typu Van de Graaffa i tarczą rozpraszającą oraz referencyjnym detektorem Si i badanymi detektorami scvd. Układ ten wykorzystał do badań wykonanych w NCBJ w Warszawie. W szczególności opisuje analizę rozpraszanych jonów, zmierzone rozkłady energetyczne (na przykładzie cząstek α) oraz efekty odchylenia mierzonych wartości energii cząstek α, protonów i deuteronów. Następnie przedstawia charakterystyki liniowości badanych detektorów (D01, D08 i D09) oraz różnice w odpowiedzi tych detektorów na jony o stosunkowo niskich energiach (25-250 kev). W dalszej kolejności autor prezentuje wyniki obliczeń zasięgu cząstek α, protonów i deuteronów o energiach 1 MeV i 2 MeV w płytkach diamentowych. Stwierdza, że zasięg nisko-energetycznych cząstek α jest w przybliżeniu 3-krotnie mniejszy niż protonów, a zasięgi protonów i deuteronów są zbliżone i wynoszą ok. 7 µm; natomiast dla cząstek α o energii 5,6 MeV zasięg wynosi 14 µm i jest zbliżony do wartości obserwowanej dla deuteronów o energii 2 MeV. Następnie autor omawia wpływ materiału i grubości elektrod, oblicza energie protonów i cząstek α przepuszczanych przez elektrody ze złota o grubościach 50 nm i 250 nm oraz wykresy zdolności hamowania rozpatrywanych cząstek w warstwie złota (w funkcji ich energii) i wykresy poprawek wartości energii mierzonych detektorami D01 i D08. W zakończeniu rozdziału autor prezentuje rozkłady energetyczne cząstek α zmierzone przy użyciu detektorów D01 i N01 o różnej grubości (50 µm i 500 µm). Rozdział 5 prezentuje wyniki pomiarów produktów reakcji syntezy jądrowej, wykonanych przez autora przy impulsowym generatorze neutronów IGN-14 w IFJ, w którym wykorzystywane były wiązki deuteronów przyspieszane do energii 175 kev i oddziaływujące z tarczą zawierającą tryt. W pierwszej kolejności autor podaje najważniejsze parametry generatora IGN-14, wymienia rodzaje i energie cząstek wytwarzanych w reakcjach zachodzących w tarczy, przedstawia wzór określający wartość energii cząstek emitowanych pod danym kątem i przykładowe wykresy określające energię neutronów i cząstek α emitowanych z tarczy pod różnymi kątami przy wykorzystaniu pierwotnej wiązki deuteronów o energii 109 kev. Następnie autor rozprawy opisuje wyniki wstępnych eksperymentów z rejestracją szybkich jonów detektorami scvd w układzie IGN-14 przy wykorzystaniu tarczy ustawionej pod kątem 45 0 i starego kanału pomiarowego (prostopadłego do powierzchni tarczy). W zarejestrowanym rozkładzie energetycznym autor rozróżnia pik C protonów o energii 2,7 MeV i pik B cząstek α o energii 1,92 MeV, przy czym zwraca uwagę, że pik B stanowi w rzeczywistości sumę dwóch blisko położonych pików α. W ostatnim podpunkcie rozdziału autor opisuje konstrukcję nowej próżniowej komory do generatora IGN-14, która umożliwia łatwą zmianę geometrii i wymianę tarczy. Rozdział 6 zawiera opis metody zastosowanej przez autora rozprawy do modelowania rozkładów produktów reakcji syntezy jądrowej zachodzących na skutek bombardowania w tarczy z trytem wiązką deuteronów. W pierwszej kolejności autor opisuje obliczenia rozkładów kątowych rozpatrywanych cząstek przy wykorzystaniu programów SIMNRA i SRIM, znanych z literatury. Obliczenia zostały 3
przeprowadzone dla deuteronów o energii 109 kev oddziaływujących z tarczą T/Ti o gęstości powierzchniowej 1,5x10 20 atomów/cm 2, zawierająca określoną mieszaninę atomów tytanu, trytu i deuteru. Przy obliczeniach autor uwzględniał wszystkie cząstki naładowane wytwarzane w reakcjach D-D i D-T. W omawianej części rozprawy autor przedstawia kolejno energetyczno-kątowe rozkłady szybkich jonów He 3, cząstek α, trytonów i protonów. Następnie opisuje wyniki obliczeń emisji neutronów otrzymane za pomocą metody Monte Carlo, które posłużyły do uzyskania informacji o natężeniu emisji produktów reakcji i właściwej lokalizacji detektorów wewnątrz kamery próżniowej. W celu ochrony detektorów przed gromadzeniem ładunku elektrycznego dostarczanego przez rozproszone deuterony i nisko-energetyczne jony, autor zastosował osłony z cienkiej folii aluminiowej. W omawianym rozdziale przedstawiono wykresy przestrzennych rozkładów emisji szybkich cząstek α i protonów, a następnie szczegółowe wyniki pomiarów i symulacji dla różnych kątów padania wiązki deuteronów oraz różnych kątów wylotu i rozpraszania cząstek α i protonów. Ze względu na znaczne zmniejszanie się intensywności reakcji D-T i D-D w tarczy T/Ti z upływem czasu jej naświetlania autor wymieniał tarcze co 4 godziny, co umożliwiło porównanie rejestrowanych rozkładów energetycznych. W pracy zaprezentowane zostały rozkłady uzyskane dla cząstek α, protonów i neutronów. Autor przedstawia również zmiany położenia piku reakcji C(n,α)Be określone dla CPD (150 µm) i NM (500 µm) oraz fotografie aparatury i wykresy prezentujące energetyczne i kątowe rozkłady cząstek α i neutronów. Następnie autor przedstawia wykres ukazujący różnice między wynikami pomiarów cząstek α i obliczeniami teoretycznymi oraz zmierzone rozkłady energetyczne cząstek α i protonów przy różnych kątach padania wiązki (90 0 i 135 0 ). Rozdział 7 poświęcony jest badaniom nad wpływem temperatury na detektory diamentowe przeznaczone do pomiarów produktów reakcji syntezy jądrowej. Autor podkreśla, że szczególnie pomiary cząstek α, które mają krótki zasięg w materii, wymagają stosowania detektorów usytuowanych bardzo blisko obszaru gorącej plazmy i narażone są na silne promieniowanie oraz wysoką temperaturę. W pierwszej kolejności autor opisuje układ eksperymentalny, w którym badane detektory były podgrzewane do temperatury max. 250 0 C za pomocą grzejnika elektrycznego. Przedstawia schematy omawianej aparatury oraz jej zdjęcia, a następnie wyniki pomiarów cząstek α z tzw. potrójnego źródła radioaktywnego, które wykonano badanym detektorem diamentowym przy ustalonych wartościach temperatury (od 28 0 C do 250 0 C). W rezultacie autor stwierdził, że wyniki pomiarów przy temperaturach detektora od 28 0 C do 200 0 C nie wykazują istotnych różnic, chociaż ze wzrostem temperatury liczba zliczeń maleje o ok. 20%. Autor wykazał, ze dalsze zwiększanie temperatury detektora do 250 0 C powoduje znaczne zmniejszenie rejestrowanych sygnałów. W drugiej części omawianego rozdziału autor przedstawił wyniki badań wpływu temperatury na wyniki pomiarów promieniowania mieszanego (szybkich cząstek naładowanych i neutronów) z tarczy T/Ti umieszczonej w komorze generatora IGN-14. Wykazał przy tym, że w temperaturach <150 0 C odpowiedzi detektora były praktycznie takie same, ale po przekroczeniu 200 0 C pik odpowiadający cząstkom α uległ wyraźnemu przesunięciu w kierunku niższych energii i odległość piku protonowego uległa zmianie. Po zmianie polaryzacji detektora pik protonowy powrócił na swoje miejsce. Rozdział 8 przedstawia podsumowanie i wnioski końcowe autora rozprawy. Na końcu omawianej dysertacji autor zamieścił spis cytowanej literatury, który obejmuje 38 pozycji. 4
3. Najważniejsze wyniki naukowe Do najważniejszych wyników naukowych omawianej rozprawy doktorskiej można zaliczyć: 1. Zbadanie odpowiedzi kilkunastu różnych detektorów diamentowych typu scvd (oznaczonych symbolami D01-D09 oraz N01-N-04) na szybkie cząstki naładowane (tj. protony, deuterony, cząstki α) przyspieszone w akceleratorze Van de Graaffa do energii w granicach 0,6-2,0 MeV. 2. Zbadanie odpowiedzi ww. detektorów na promieniowanie mieszane, zawierające szybkie cząstki naładowane i neutrony pochodzące z reakcji syntezy jądrowej D-T i D-D, które mogą zachodzić w tarczy T/Ti (zawierającej tryt) naświetlanej wiązką deuteronów o energii 109 kev w generatorze IGN-14. 3. Wykonanie symulacyjnych obliczeń rozkładów produktów reakcji syntezy jądrowej D-T i D-D z ww. tarczy T/Ti przy wykorzystaniu metody Monte Carlo i uwzględnieniu parametrów nowej komory eksperymentalnej w generatorze IGN-14. 4. Zbadanie wpływu temperatury (w granicach 28 0 C 250 0 C) na sygnały uzyskiwane z badanych detektorów diamentowych w czasie rejestracji szybkich cząstek α pochodzących ze źródła radioaktywnego oraz z ww. tarczy T/Ti. 5. Eksperymentalne udowodnienie, że badane detektory diamentowe typu scvd generują bardzo zbliżone sygnały w temperaturach poniżej 150 0 C, ale w temperaturach powyżej 200 0 C amplitudy i położenie pików (odpowiadających różnym cząstkom) ulegają znacznym zmianom. 6. Wykazanie, że badane detektory diamentowe typu scvd mogą być stosowane w określonych granicach do spektrometrycznych pomiarów produktów reakcji syntezy jądrowej w badanych obecnie tokamakach (np. w układach CASTOR, MAST i JET). 7. Wskazanie, że w wypadku detektorów diamentowych przeznaczonych do eksperymentów termojądrowych w dużych tokamakach, ich elementy (takie jak elektrody, kontakty elektryczne i osłony) powinny być zaprojektowane z uwzględnieniem określonych warunków eksperymentalnych. 8. Wskazanie, że należałoby kontynuować badania detektorów diamentowych zwłaszcza w obecności bardzo intensywnych strumieni szybkich neutronów, przy uwzględnieniu ograniczeń temperaturowych i wrażliwości wykorzystywanych układów elektronicznych. 4. Uwagi ogólne Pod względem merytorycznym rozprawa nie budzi istotnych zastrzeżeń. Można to stwierdzić na podstawie szczegółowej analizy treści poszczególnych rozdziałów pracy oraz faktu, że część wyników eksperymentalnych przedstawiono w pracy zespołowej w czasie międzynarodowej konferencji Intern. Conf. on Diamond and Carbon Mat. (Riva del Garda, Italy, September 2013), a znaczną część obliczeń symulacyjnych autor (wspólnie z U. Wiąckiem) opublikował niedawno w renomowanych czasopiśmie Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 349 (2015) 96. Chociaż główna teza omawianej dysertacji nie została sformułowana w sposób jednoznaczny, przedstawione wyniki badań eksperymentalnych i obliczeń teoretycznych można uznać za w pełni wystarczające. Z obowiązku recenzenta muszę jednak zgłosić kilka uwag krytycznych: 1. Znaczna część rozprawy (24 strony) poświęcona została przeglądowi badań plazmy i problemów diagnostycznych, a w szczególności wykorzystaniu detektorów 5
półprzewodnikowych. Przy omawianiu głównych kierunków badań termojądrowych, autor wymienia tylko eksperymenty z utrzymywaniem magnetycznym (MCF) oraz eksperymenty z utrzymywaniem inercyjnym (ICF), a całkowicie pomija wielkie współczesne eksperymenty typu Z-pinch (np. Z-Machine) oraz eksperymenty mieszane MagLIF, w których uzyskuje się bardzo duże ilości produktów reakcji syntezy. 2. W zakończeniu rozdziału 2 autor zapowiada przejście do omawiania własnych badań eksperymentalnych, ale nie formułuje głównej tezy swojej dysertacji, która powinna być wynikiem przeglądu stanu wiedzy w rozpatrywanej dziedzinie i określać własne plany badawcze. 3. Omawiając wyniki badań eksperymentalnych w rozdziale 4 autor podaje spis badanych detektorów diamentowych, który obejmuje detektory oznaczone symbolami D01, D08, D09 oraz N01-N04. Brak jednak wyjaśnienia co się stało z detektorami D02-D07. W dalszej części, porównując charakterystyki detektorów D01, D08 i D09 autor nie podaje informacji o wynikach badań detektorów N01-N04. 4. Spis literatury jest skromny i obejmuje tylko 38 pozycji (w tym 3 prace autora dysertacji). Przy omawianiu głównych kierunków badań termojądrowych należałoby wymienić choć kilka ważnych publikacji przeglądowych. W spisie brak również pozycji najnowszych (autor wymienił tylko 2 pozycje z roku 2014 i jedną pozycję z roku 2015). Pod względem edycyjnym rozprawa została przygotowana bardzo starannie. Na bardzo pozytywną ocenę zasługują liczne i czytelne rysunki oraz wykresy. Język angielski i terminologia stosowana w rozprawie nie budzą zastrzeżeń, chociaż można znaleźć drobne błędy stylistyczne i gramatyczne. 5. Ocena końcowa Wymienione wyżej drobne usterki nie mają wpływu na wypadkową bardzo pozytywną ocenę całej rozprawy. Autor pracy włożył bardzo dużo wysiłku w opracowanie obszernego materiału eksperymentalnego. Omówione wyżej najważniejsze wyniki naukowe stanowią wymierny dorobek w dziedzinie fizyki plazmy, a zwłaszcza w zakresie badań zmierzających do opracowania metod diagnostyki niezbędnych w przyszłych reaktorach termojądrowych. Należy tu jeszcze raz zauważyć, że część wyników eksperymentalnych poddana została już ocenie specjalistów w czasie konferencji Intern. Conf. on Diamond and Carbon Mat. (Riva del Garda, Italy, September 2013), a najważniejsze wyniki symulacji komputerowych zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 349 (2015) 96. Duży wkład autora rozprawy w omówione wyżej badania można ocenić na podstawie porównania treści dysertacji i wymienionych prac. Biorąc pod uwagę omówione wyżej osiągnięcia naukowe uważam, że autor posiadł dobrą znajomość fizyki plazmy w zakresie metod diagnostyki produktów reakcji syntezy jądrowej. Wykazał przy tym umiejętnością współpracy z innymi badaczami i niezbędną samodzielnością naukową. Uważam, że rozprawa mgr Jana Dankowskiego spełnia wymagania stawiane rozprawom doktorskim zgodnie z obowiązującą obecnie ustawą i wnoszę o dopuszczenie go do dalszych etapów przewodu doktorskiego. 6