Plasma diagnostic capabilities of line-integrated neutron pulse height spectra measurements

This work of thesis deals with the investigation of the spectral diagnostic capabilities of a neutron camera (multi-channel diagnostic viewing a poloidal plasma section through several collimated lines of sight). The focus is on the possibility of using a neutron camera to determine the local neutron spectrum instead of just the local neutron emission. This represents a step forward with respect to present days neutron cameras since it enables the spatially resolved measurement of several additional plasma parameters, such as the ion temperature and the fuel ratio (ratio of the tritium to deuterium concentration). The project includes both modelling and experimental activities. The modelling part is focused on how to retrieve local spectral information from a neutron camera equipped with liquid scintillators acting as compact spectrometers. A novel data analysis technique, combining spectra unfolding and spatial inversion of line-integrated pulse height spectra (PHS) measurements, is proposed and applied to synthetic data generated for the Radial Neutron Camera (RNC) of the ITER project. The capability of the RNC to measure the local ion temperature profile in the nearly thermal ITER plasma is investigated in terms of precision, accuracy and time resolution. The statistical error due to the RNC detectors' integration time, the background due to 14 MeV scattered neutrons and the high energy neutron tails produced by neutral beam injection (NBI) are taken into account. Moreover, a first evaluation of the RNC performances as a neutron emissivity and fuel ratio monitor is also given. The software used for the set-up of the synthetic data, the implementation of the proposed data analysis technique and the statistical analysis of the results is an original contribution to the work of thesis. The experimental part concerns the work performed to upgrade the JET neutron camera to a multi-channel neutron spectrometer and the first tests carried out to apply the proposed data analysis technique to JET discharges with NBI and ion cyclotron resonance heating (ICRH). The upgrade of the JET neutron camera required the replacement of the analog acquisition electronics with a digital acquisition system (14 bit, 200 MSamples/s). The development of the pulse processing software for the new acquisition system and its installation, characterization and calibration are all part of the research activity. The upgraded diagnostic has been operational since autumn 2010, during the last JET campaign before the prolonged shutdown for the installation of the beryllium first wall. The results of this work show the potential of a neutron camera as a multi-channel spectrometer and point out areas suitable for further investigation in view of application to ITER

Il presente lavoro di tesi è rivolto allo studio delle capacità spettroscopiche di una neutron camera, diagnostica per plasmi termonucleari costituita da una serie di line di vista collimate disposte a coprire una sezione poloidale del plasma. La ricerca è indirizzata in particolare alla possibilità di utilizzare una neutron camera per determinazione non solo dell’emissione neutronica locale (emissività), ma anche dello spettro neutronico locale. Questa possibilità rappresenta un notevole passo in avanti, in quanto permetterebbe la misura risolta spazialmente di una serie di parametri di plasma addizionali, quali la temperature ionica ed il rapporto fra le densità di deuterio e trizio (fuel ratio). La ricerca si articola in attività sia teoriche che sperimentali. L’attività teorica è focalizzata sulle modalità attraverso cui estrarre lo spettro locale dalle misure di una neutron camera equipaggiata con rivelatori a scintillazione impiegati come spettrometri compatti. A tale scopo è stata sviluppata una tecnica di analisi dati originale, basata sulla combinazione di algoritmi di unfolding e di inversione spaziale, che è stata applicata a dati sintetici generati per la Radial Neutron Camera (RNC) del progetto ITER. La capacità della RNC di misurare il profilo di temperatura ionica nel caso del plasma quasi-termico di ITER è stata studiata in termini di precisione ed accuratezza, includendo nell’analisi le incertezze dovute all’errore statistico legato al tempo di integrazione dei rivelatori, al background prodotto dai neutroni da 14 MeV diffusi ed ai neutroni ad alta energia generati dall’iniezione di particelle neutre (neutral beam injection (NBI)). L’ambiente di simulazione sviluppato ha permesso inoltre di fornire una prima valutazione delle prestazioni della RNC come monitor dei profili di emissività e fuel ratio. Il codice di calcolo utilizzato per la generazione dei dati sintetici, l’implementazione della tecnica di analisi dati proposta e per l’analisi statistica dei risultati costituisce un contributo originale al lavoro di tesi. L’attività sperimentale riguarda invece il lavoro svolto per abilitare la neutron camera del Joint European Torus (JET) a misure spettrometriche ed il tentativo di applicare la tecnica di analisi dati proposta ai plasmi del JET con NBI ed ion cyclotron resonance heating (ICRH). L’upgrade della camera ha richiesto la sostituzione dell’intero sistema di acquisizione analogico con un sistema digitale (14 bit, 200 MSamples/s). Lo sviluppo del software di analisi dati, l’installazione, la caratterizzazione e la calibrazione del sistema fanno tutti parte dell’attività di tesi. La diagnostica con il nuovo sistema di acquisizione è entrata in funzione nell’autunno 2010, durante la campagna sperimentale che ha preceduto la sospensione prolungata delle operazioni del JET per l’installazione della prima parete in berillio. I risultati del lavoro hanno mostrato le potenzialità dell’impiego di una neutron camera come uno spettrometro multicanale ed hanno permesso di individuare aree che necessitano di ulteriore ricerca in vista di una applicazione del sistema su ITER