DETEKTORY DIAMENTOWE W DIAGNOSTYCE PLAZMY TERMOJĄDROWEJ

DETEKTORY DIAMENTOWE W DIAGNOSTYCE PLAZMY TERMOJĄDROWEJ Krzysztof Drozdowicz Oddział V Zastosowań Fizyki i Badań Interdyscyplinarnych NZ54: Zakład Fizyki Transportu Promieniowania

DETEKTORY DIAMENTOWE O

W DIAGNOSTYCE PLAZMY TERMOJĄDROWEJ Międzynarodowy program ITER energia dla przyszłości

W europejskim obszarze badawczym wyodrębniono na szczególnych zasadach program syntezy termojądrowej. Program jest koordynowany przez Wspólnotę Energii Atomowej EURATOM i ma doprowadzić do zbudowania pierwszego międzynarodowego eksperymentalnego reaktora syntezy termojądrowej ITER. ITER International Thermonuclear Experimental Reactor ITER = droga (łac.) Jest to największe przedsięwzięcie naukowe z dziedziny fizyki jądrowej i energetyki.

Schemat budowy elektrowni cieplnej Wikipedia, FM.T. Westra, S. Kuyvenhoven - Energy powering your world

reaktor termojądrowy Schemat budowy elektrowni cieplnej

ITER 1985 idea współpracy międzynarodowej, Unia Europejska, Japonia, Chiny, Indie, Korea Płd., Rosja, Stany Zjednoczone 2007 rozpoczęcie przygotowań miejsca całej inwestycji: Cadarache (płd. Francja)

Diagnostyka plazmy (D-D, D-T) Pomiar właściwości plazmy jest trudnym wyzwaniem dla eksperymentatorów ( i teoretyków). Wiedza na temat najważniejszych parametrów plazmy takich jak temperatura, gęstość, straty radiacyjne jest niezbędna dla zrozumienia zachowania plazmy wysokotemperaturowej. Ponieważ plazma jest zamknięta w stalowej komorze i posiada ekstremalne właściwości, to konwencjonalne metody pomiaru nie znajdują zastosowania. Metody diagnostyczne plazmy mają zwykle charakter innowacyjny i muszą odnosić się do procesów fizycznych, z których dopiero czerpie się informacje na temat poszczególnych parametrów.

Energia syntezy jądrowej 2 D + 2 D 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) Q = 3,27 MeV 2 D + 2 D 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) Q = 4,03 Me 2 D + 3 T n (14,03 MeV) + + 4 He (3,56 MeV) Q = 17,6 MeV 2 D + 3 He 4 He + p Q = 18,3 MeV

Energia syntezy jądrowej 2 D + 3 T n (14,03 MeV) + + 4 He (3,56 MeV) Q = 17,6 MeV

Energia syntezy jądrowej 2 D + 3 T 4 He + n + 17,6 MeV Jeden gram paliwa deuterowo-trytowego może dostarczyć 100 MWh energii elektrycznej. Aby uzyskać tę samą ilość energii należałoby spalić około 11 ton węgla. Deuter znajduje się w wodzie 1 m 3 wody zawiera około 30 g deuteru. Tryt występuje na Ziemi tylko w niewielkich ilościach, może być wytwarzany z litu lekkiego metalicznego pierwiastka występującego w dużych ilościach w skorupie ziemskiej i wodzie morskiej.

Energia syntezy jądrowej Aby zainicjować reakcję syntezy w plazmie deuterowej lub deuterowo-trytowej należy plazmę podgrzać za pomocą mikrofal lub innych metod do odpowiedniej temperatury. Wynikiem reakcji syntezy D-T są neutrony oraz wysokoenergetyczne cząstki α. Neutrony 14 MeV unoszą tę energię na zewnątrz, natomiast cząstki α (3.5 MeV) powinny pozostać we wnętrzu sznura plazmowego, gdzie na skutek zderzeń z innymi cząstkami plazmy powodują wtedy dalsze jej ogrzewanie, umożliwiając kontynuację reakcji fuzji. Cząstki α są jednak także swoistym produktem spalania, popiołem zachodzącej reakcji fuzji. Część z nich opuszcza sznur plazmowy. Cząstki te nazywane żargonowo lost alphas lub escaping alphas stanowią duże wyzwanie pomiarowe dla określenia ich energii. Tu dużą rolę przywiązuje się do możliwości wykorzystania detektorów diamentowych.

Plazma czwarty stan skupienia materii

We wnętrzu Słońca w temperaturze ponad 10 mln K jądra wodoru łączą się tworząc hel. Grawitacyjne utrzymanie plazmy Żeby zaszła reakcja syntezy, cząsteczki powinny pokonać barierę kulombowską Żeby wszystkie cząsteczki przereagowały, należy UTRZYMYWAĆ gorącą plazmę jakiś czas (kryterium Lawsona)

W warunkach ziemskich dla syntezy D-T potrzeba ponad 100 mln K Utrzymanie plazmy: inercyjne, magnetyczne Kryterium Lawsona As originally formulated (1957) the Lawson criterion gives a minimum required value for the product of the plasma (electron) density n e and the "energy confinement time" τ E. Wg późniejszych analiz jako wskazówkę przyjmuje się tzw. "triple product n e τ E T > 5 10 21 [m 3 s kev]

Magnetyczne utrzymywanie plazmy Liniowa konfiguracja pola magnetycznego

Magnetyczne utrzymywanie plazmy

Magnetyczne utrzymywanie plazmy Pułapka otwarta

Magnetyczne utrzymywanie plazmy Straty powstające w geometrii liniowej mogą być wyeliminowane poprzez zakrzywienie cylindra i utworzenie zamkniętego pierścienia torusa:

Magnetyczne utrzymywanie plazmy Pułapka zamknięta Straty powstające w geometrii liniowej mogą być wyeliminowane poprzez zakrzywienie cylindra i utworzenie zamkniętego pierścienia torusa:

magnetyczne pole toroidalne Magnetyczne utrzymywanie plazmy Jednak również i takie pole nie jest w stanie utrzymać rozszerzającej się pod własnym ciśnieniem plazmy. Dlatego stosuje się dodatkowe pola (poloidalne), wytwarzane przez oddzielne zestawy cewek, jak w tokamakach, albo przez odpowiednie ukształtowanie cewek, jak w stellaratorach Stellarator WENDELSTEIN 7-X Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Greifswald

TOKAMAK Pierwszy tokamak powstał w 1950 roku w Instytucie Energii Atomowej w Moskwie. Zasadę działania tego urządzenia opracowali Igor J. Tamm i Andriej D. Sacharow. Rosyjskie tokamaki były budowane pod kierunkiem profesora Lwa Arcymowicza. ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками Toroidalnaja Kamiera s Magnitnymi Katuszkami pierścieniowa (toroidalna) komora z cewkami magnetycznymi

Układ cewek i pól magnetycznych tokamaka R Dryf elektryczny Dryf gradientowy b E B 2 B v 2 ( b κ ) v ( b B ) 2 = v II + + II + ω c 2 ω c B Ruch wzdłuż linii sił pola B Dryf krzywoliniowy

Układ cewek i pól magnetycznych tokamaka

TOKAMAK JET Culham (k. Oxfordu), Anglia (Joint European Torus) Decyzja o budowie: 1978, działa od II poł. lat 80. Obecnie badania pod Katem programu ITER. Parametry: Promień torusa: 3 m Komora próżniowa: wys. 4 m szer. 2.5 m Objętość plazmy: 80-100 m 3 Prąd plazmy: do 5 MA Toroidalne pole magnet.: do 3.5 T Dodatkowe grzanie: do 25 MW

Ciepło syntezy dla elektrowni Aby uruchomić reaktor termojądrowy należy podgrzać paliwo (deuter + tryt) za pomocą mikrofal lub innych metod, aż zostanie osiągnięta odpowiednia temperatura (powyżej 100 mln C). Podczas reakcji syntezy uwalniane są prędkie neutrony (14 MeV), które mają zasadnicze znaczenie, jeśli zjawisko fuzji termojądrowej ma być wykorzystane do produkcji energii elektrycznej. Ich rola jest podwójna: Opuszczają obszar reakcji i są spowalniane w wykładzinie ściany reaktora nagrzewając ją. Analogicznie jak w klasycznych rozszczepieniowych reaktorach jądrowych są źródłem ciepła służącym do wytwarzania pary wodnej napędzającej turbiny generatorów prądu elektrycznego.

Ciepło syntezy dla elektrowni Drugą ważną rolą neutronów jest produkcja trytu. W wykładzinie ściany reaktora umieszczany jest lit, który oddziałując z neutronami wytwarza tryt. Gaz ten jest odzyskiwany, oczyszczany i wraz z deuterem wprowadzany ponownie do reaktora jako składnik paliwa plazmowego. Gdy paliwo rozpocznie "płonąć", wytwarza się gaz zjonizowanych atomów 4 He, cząstek alfa obdarzonych dużą energią kinetyczną (3.5 MeV). Są one pułapkowane przez obecne w komorze pole magnetyczne. Oddając swoją energię do paliwa (deuteru i trytu) podtrzymują je w temperaturze umożliwiającej zajście fuzji.

Deuter z wody morskiej (0.02% wodoru w wodzie to deuter) Tryt produkcja z litu (obecnego powszechnie w skorupie ziemskiej i w wodzie morskiej) Zbiornik próżniowy Tryt D T He Hel Plazma Wymiennik ciepła Blankiet litowy Generator pary Turbina Generator prądu Deuter Lit Koncepcja elektrowni cieplnej zasilanej energią syntezy jądrowej [wg http:/www.efda.org]

[ EFDA-JET, www.jet.efda.org]

ITER będzie miał promień 6.2 m (2x JET). Objętość plazmy znajdującej się w pierścieniu wyniesie 837 m 3. Moc ITERa (500 MW) będzie trzydzieści razy większa od mocy JETa i prawie taka, jak moc elektrowni przemysłowych w przyszłości. Pierwsza plazma w ITERze jest oczekiwana w 2020 r. Impulsy fuzyjne powinny trwać 480 s. Date Timeline Event / Prediction 2010 Tokamak complex excavation start. 2013 Tokamak complex construction start 2015 Tokamak assembly start. 2019 Tokamak assembly completion, start torus pumpdown 2020 Achievement of first plasma 2027 Start of deuterium-tritium operation. 2038 End of project. Projekt ITER pozwoli na zbadanie fizyki samopodgrzewającej się plazmy, czyli plazmy, która jest nagrzewana głównie w wyniku reakcji fuzji jądrowej, bez pomocy źródeł zewnętrznych. Poza tym ma także zweryfikować koncepcję produkcji trytu.

Pomiary dla diagnostyki plazmy termojądrowej

Pomiary dla diagnostyki plazmy termojądrowej JET 1981

Pomiary dla diagnostyki plazmy termojądrowej JET 2011

WP10-DIAG-01-02: Diamond and track detectors to detect escaping fast alpha particles 2 D + 3 T 4 He (3,56 MeV) + n (14,03 MeV) Projekt zakładał opracowanie metody spektrometrycznej detekcji uciekających cząstek α w ekstremalnych warunkach wnętrza komory tokamaka.

Detektor półprzewodnikowy cząstka jonizująca podkład V np. Ge, GaAs, Si, C (diament)

Struktura diamentu grafit fuleren C-60 (fuleryt) grafen lonsdaleit diament Struktura diamentu jest kombinacją dwóch sieci regularnych centrowanych powierzchniowo, przesuniętych względem siebie wzdłuż głównej przekątnej o wartość ¼ jej długości.

Porównanie diament krzem Property Atomic number Density (g cm -3 ) Band gap (ev) Resistivity (Ω cm) Electron mobility (cm 3 V -1 s -1 ) Hole mobility (cm 3 V -1 s -1 ) Saturation velocity (µm s -1 ) Energy per e-h pair (ev) Breakdown field (V cm 1 ) Diamond 6 3.5 5.5 >10 12 1800 1200 220 13 10 7 Silicon 14 2.32 1.1 10 5 1500 500 100 3.6 3x10 5

Np. prawdopodobieństwo wygenerowania dziury elektronowej w temperaturze T p( T ) = c T 3/ 2 E exp 2kT gap C CD Np. wydajność zbierania ładunku (Charge Collection Efficiency) C Q 1 m CE = = C Q CD 0 wygenerowany ładunek Q0 d Q m zmierzony ładunek = µ τ + µ τ ) ( e e h h ε µ ruchliwość nośników ładunku (e, h) τ czas życia nośników ładunku (e, h) d grubość diamentu C CD odległość zbierania łądunku ε pole elektryczne C CE x odległość od miejsca generacji ładunku do elektrody

Wydobycie diamentów W diamencie naturalnym mogą występować domieszki: azot do ok. 0.2 %, nikiel, żelazo 1 ppm, glin do ok.10 ppm, bor ok. 0.25 ppm Rocznie Diamenty wydobywa bez żadnych się 40 domieszek mln karatów (bardzo diamentów, rzadko z występujące czego 30 mln w zużywa naturze) przemysł mają najlepsze + 100mln własności karatów optyczne, diamentów elektryczne syntetycznych i termiczne

diamenty naturalne syntetyczne HPHT CVD Producenci: UralAlmazInvest (Rosja) GSI (Niemcy) Diamond Detectors Ltd (Anglia) Bold (Belgia) Almeda Applied Sciences Co. (USA) Element Six (RPA) [ Diamond Detectors Ltd (Anglia) ] poli- mono- Metoda HPHT (High Pressure High Temperature) wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury Metoda CVD (Chemical Vapour Deposition) chemicznego osadzania par

Techniki wytwarzania sztucznych diamentów Metoda CVD (Chemical Vapour Deposition) chemiczne osadzanie par wodór + metan + ogrzanie węglowy deszcz osiadający na substracie np. włókno grzejne: 2000 2600 K (Ta, Re, W) substrat: 800 1300 K Warstwy polikrystaliczne, rzędu nm, na docelowych powierzchniach Monokryształy na podłożu diamentowym Tempo wzrostu: 1,5 µm/h Większa czystość nie ma katalizatorów (używanych w metodzie HPHT)

WP10-DIAG-01-02: Diamond and track detectors to detect escaping fast alpha particles 2 D + 3 T 4 He (3,56 MeV) + n (14,03 MeV) Wykorzystanie detektorów diamentowych do detekcji uciekających cząstek α cząstka jonizująca podkład V Problem: Mały zasięg cząstek α w materii, czyli potrzebny pomiar w próżni, w komorze tokamaka.

Przykład literaturowy AMR-33 (PAC) 239 Pu E α = 5.157 MeV 241 Am E α = 5.485 MeV 244 Cm E α = 5.805 MeV

[ De Beers (South Africa) Element Six ] Diamond Detectors Ltd. Monokryształ CVD 2.5 mm x 2.5 mm x 50 µm o wysokiej czystości: Ni, B < 5 ppb Zasięg α (6 MeV) w diamencie ~15 µm

I.Wodniak, J.Dankowski, K.Drozdowicz, B.Gabańska, A.Igielski, A.Kurowski, B.Marczewska, T.Nowak: Spectrometric properties of CVD diamond detector for measurement of the "lost alpha particles. Rpt. IFJ No. 2038/AP, Institute of Nuclear Physics PAN, Kraków, 2010.

Diamond detector No. D01 1800 1600 239 Pu 241 Am 1400 Wysoka zdolność rozdzielcza! E 20 kev, Próżnia ~5x10 3 mmhg counts 1200 1000 800 600 400 200 FWHM 24 kev FWHM 19 kev 0 4900 5000 5100 5200 5300 5400 5500 5600 5700 5800 5900 E [kev]

D010117 4000 3500 3000 5156.7keV 5485.7 kev Diamond detector D01 Source AMR 33 Supply Voltage + 50 Amplification 100 x Porównanie: counts 2500 2000 1500 1000 19 18 5804.9 kev 21 Detektor diamentowy 500 0 3000 3200 3400 3600 3800 4000 channels S050163 1600 1400 1200 5156.7 kev 5485.7 kev Silicon detector S05 Source ARM 33 Supply Voltage + 50 Amplification 39 x 1000 5804.9 kev counts 800 600 19 20 18 Detektor krzemowy 400 200 0 3500 3700 3900 4100 4300 4500 4700 4900 channels

Problemy kalibracji Energia cząstek α emitowanych ze źródła AMR33. Energie jonów 2 D + 3 T : 4 He (3.56 MeV) Energia cząstek α emitowanych ze źródła 212 Bi + 212 Po 212 Bi 212 Po 2 D + 2 D : 3 He (0.82 MeV) 2 D + 2 D : p (3.02 MeV) E α (kev) P α (%) E α (kev) P α (%) 6050.92 25.1 8785.06 100 Energie α > 5 MeV Energie jonów < 5 MeV

Kalibracja monoenergetycznymi wiązkami α z akceleratora van de Graafa (NCBJ) Folia Au 100 mg/cm 2 Energie wiązek E α < 2 MeV

Liniowość amplitudowej odpowiedzi detektora CVD względem energii α (zakres ~0.4 8.8 MeV). Detekcja innych jonów? K.Drozdowicz, J.Dankowski, B.Gabańska, A.Igielski, A.Kurowski, B.Marczewska, T.Nowak, I.Wodniak, U.Woźnicka Usability of diamond detectors for spectrometric measurements of lost alpha particles. Diamond Relat. Mater. 20 (2011) 743-745. I.Wodniak, K.Drozdowicz, J.Dankowski, B.Gabańska, A.Igielski, A.Kurowski, B.Marczewska, T.Nowak, U.Woźnicka CVD diamond detectors for fast alpha particles escaping from tokamak D-T plasma. Nukleonika 56 (2011) 143-147.

WP11-DIA-03-04-01/IPPLM/PS: CVD diamond detectors for measurement of fusion plasma products (2011-2012) 2 D + 3 T 4 He (3,56 MeV) + n (14,03 MeV) 2 D + 2 D 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 2 D + 2 D 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV)

α, d, p

Spektrometryczny pomiar cząstek alfa detektorem diamentowym CVD w polu mieszanego promieniowania Badania przy generatorze neutronów 14 MeV reakcja D-T (IFJ PAN, Kraków) Target T/Ti (na podkładce Cu) jest bombardowany wiązką deuteronów ~100 kev. Podstawowa reakcja: 2 D + 3 T n (14.1 MeV) + 4 He (3.5 MeV)

Spektrometryczny pomiar cząstek alfa detektorem diamentowym CVD w polu mieszanego promieniowania Po pewnym czasie działania generatora deuterony z akcelerowanej wiązki implantują się w tarczy: 2 D + 2 D 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) (2) 2 D + 2 D 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) (3) Tryt rozpada się do 3 He (T 1/2 = 12.5 lat), który pojawia się w starszych tarczach w zauważalnej ilości: 2 D + 3 He 4 He + p (4) (Q = 18.3 MeV) np. θ = 90 E α = 3.6 MeV, E p = 14.7 MeV

Spektrometryczny pomiar cząstek alfa detektorem diamentowym CVD w polu mieszanego promieniowania M. Mayer: SIMNRA v. 6.05. IPP, Garching

Spektrometryczny pomiar cząstek alfa detektorem diamentowym CVD w polu mieszanego promieniowania

Sposób wykorzystania detektorów diamentowych do detekcji neutronów wysokoenergetycznych bazując na bezpośrednich reakcjach neutronów z węglem Zasada pomiaru neutronów 14 MeV

Sposób wykorzystania detektorów diamentowych do detekcji neutronów wysokoenergetycznych z użyciem metody protonu odrzutu jako konwerter wykorzystuje się polietylen napylony bezpośrednio na przednią powierzchnię detektora z użyciem reakcji, w których wyniku powstaje cząstka α (domieszkowanie) 10 5 10 5 6 3 B + n B + n Li + n 7 3 7 3 7 3 3 1 Li + α + 2,79MeV (6%) Li Li * * + α + 2,3MeV (94%) 7 3 Li + γ (0,48MeV) H + α + 4,78MeV

Pomiar neutronów 14 MeV z generatora IGN-14 (detektor sccvd 500 µm) 66

Odporność termiczna Prace rozpoczęte / Zamierzenia Ideowy projekt zestawu aparatury do testowania wpływu temperatury na własności spektrometryczne detektorów diamentowych sccvd (20 200 o C, w próżni) Ideowy projekt zestawu aparatury do testowania wpływu temperatury na własności spektrometryczne układu detektor sccvd przedwzmacniacz (20-70 o C)

Testy w tokamakach Prace rozpoczęte / Zamierzenia MAST the Mega Ampere Spherical Tokamak, CCFE, Culham, UK 2 D + 2 D 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) Zbudowane przedwzmacniacze dwustopniowy, układy AD8009 jednostopniowy, układ AD8352 dwustopniowy, układy AD8352

Testy w tokamakach Prace rozpoczęte / Zamierzenia COMPASS Inst. Fizyki Plazmy, Praha, Cz. 2 D + 2 D 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 2 D + 2 D 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) Planowane pomiary protonów (sccvd) oraz neutronów 2.45 MeV (pccvd).

Prace rozpoczęte / Zamierzenia NSNS-2 Laboratorium PLASMA FOCUS w IFJ (na ukończeniu) neutronowe źródła impulsowe nanosekundowe Moduł PF-4 Moduł PF-24 plazma deuterowa

Przyszłość: stellarator Wenedelstein 7-X Start of operation for Wendelstein 7-X is scheduled for 2014.

IFJ PAN: NZ54: Zakład Fizyki Transportu Promieniowania oraz NZ53: Zakład Fizyki i Inżynierii Materiałowej NZ58: Zakład Fizyki Radiacyjnej i Dozymetrii NZ63 (CCB) NZ52 Zakład Fizyki Doświadczalnej Układów Złożonych (VdG) Asocjacja EURATOM-IPPLM Programy EFDA NCBJ (IPJ, IEA) akcelerator van de Graaffa reaktor MARIA Uczestnicy badań Asocjacja EURATOM-CCFE (Culham Centre for Fusion Energy) MAST Asocjacja EURATOM-IPP.CR (Inst. Fizyki Plazmy, Praha, Cz.) COMPASS

Uczestnicy badań Krzysztof Drozdowicz Urszula Woźnicka Jan Dankowski Barbara Gabańska Barbara Marczewska Tomasz Nowak Arkadiusz Kurowski Andrzej Igielski Urszula Wiącek Władysław Janik Marek Scholz (Iwona Wodniak) Marian Jaskóła Andrzej Korman Marta Marszałek Yevhen Zabila Janusz Lekki Roman Hajduk Erazm Dutkiewicz Adam Czermak Bogdan Sowicki Vasili Kiptily Jan Stöckel Radomír Pánek

Dziękuję za uwagę