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

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