Development of Time, Energy, and Spatially Resolved Compact Diagnostics for Tokamak Radiation Studies

Tokamak devices exploit strong magnetic fields to confine high-temperature plasmas and achieve controlled thermonuclear fusion, aiming for sustainable energy production. During operation, the plasma emits a broad spectrum of electromagnetic and particle radiation, which provides crucial information on its behavior and key parameters. This PhD thesis focuses on the development and exploitation of radiation diagnostics for the study of neutron and Soft X-Ray (SXR) emission in tokamak plasmas. Two systems are investigated: a Gas Electron Multiplier (GEM)-based SXR camera implemented and operated on the MAST-U tokamak, and a Single crystal Diamond Detector (SDD)-based neutron camera designed for the SPARC tokamak. These diagnostics measure plasma radiation with time, energy, and spatial resolution, supporting detailed analysis of plasma behavior and parameters. To support their design and exploitation, Revolt, a geometric Monte Carlo radiation-transport code, has been developed and upgraded during this work. The current version, Revolt-U, includes energy-resolved SXR analysis, allowing the modelling of radiation transport from the plasma to the detectors and supporting both diagnostic design choices and spatial analysis. The second part of the thesis addresses the optimization of the SPARC Neutron Camera (NCAM) for ion temperature profile reconstruction across the wide neutron-flux range expected during deuterium-tritium operation. The study evaluates the optimal number and size of diamond detector pixels at the line-of-sight (LOS) endpoints, targeting robust inter-shot analysis. Synthetic neutron data from the SPARC reference plasma scenario are generated, heuristically perturbed, and processed using a dedicated inversion algorithm to evaluate the performance of various NCAM configurations. The third part of the thesis focuses on the GEM-based SXR diagnostic operated on MAST-U. GEM detectors offer robustness in harsh fusion environments and the capability to deliver coarse energy-resolved SXR imaging with centimeter-scale spatial resolution and sub-millisecond temporal resolution. The system installed on MAST-U demonstrates the ability to complement existing SXR camera arrays by adding a spectral dimension to spatially and temporally resolved measurements. These results highlight the potential of GEM-based diagnostics for advancing the understanding of plasma dynamics, as well as the associated challenges posed by operation in intense neutron environments.

I tokamak sono macchine che utilizzano campi magnetici intensi per confinare plasmi ad alta temperatura per il raggiungimento della fusione termonucleare controllata, con lo scopo finale di produrre energia in modo sostenibile e sicuro. Durante il loro funzionamento, il plasma emette un ampio spettro di radiazione elettromagnetica e di particelle, che fornisce informazioni cruciali sul comportamento del plasma e sui suoi parametri chiave. Questa tesi di dottorato si concentra sullo sviluppo e utilizzo di diagnostiche per lo studio delle emissioni di neutroni e di raggi X soffici (Soft X-Ray, SXR) nei plasmi fusionistici. Due diagnostiche sono state studiate in questa tesi: un rivelatore per SXR basato sulla tecnologia Gas Electron Multiplier (GEM) utilizzata sul tokamak MAST-U, e una camera per neutroni basata su rivelatore a diamante monocristallino (Single-Crystal Diamond Detector, SDD) progettata per il tokamak SPARC. Queste diagnostiche permettono di combinare misure spettrali, spaziali e temporali della radiazione, consentendo uno studio dei parametri del plasma e del suo comportamento. Per supportarne la progettazione e l’utilizzo, è stato sviluppato e aggiornato nel corso di questo lavoro Revolt: un codice Monte Carlo per il trasporto della radiazione basato sulla modellizzazione geometrica. La versione aggiornata, Revolt-U, introduce funzionalità dedicate agli studi SXR risolti in energia, permettendo la modellizzazione del trasporto della radiazione dal plasma ai rivelatori e supportando sia le scelte progettuali delle diagnostiche sia l’analisi spaziale. La seconda parte della tesi riguarda l’ottimizzazione della Neutron Camera (NCAM) del tokamak SPARC, per la ricostruzione del profilo di temperatura degli ioni su un ampio intervallo di flussi di neutroni previsto durante le operazioni in deuterio-trizio. Lo studio valuta il numero e le dimensioni ottimali dei pixel del rivelatore a diamante agli estremi delle linee di vista (LOS) della camera. Sono stati generati dati sintetici di neutroni a partire dallo scenario di plasma di riferimento perturbato in modo euristico, I dati sono poi stati processati mediante un algoritmo di inversione dedicato, per valutare le prestazioni delle diverse configurazioni della NCAM. La terza parte della tesi si concentra sulla diagnostica SXR basata su GEM operativa su MAST-U. I rivelatori GEM offrono resistenza alla radiazione in ambienti di fusione estremi e la capacità di fornire immagini SXR risolte in energia con risoluzione spaziale su scala centimetrica e risoluzione temporale sub-millisecondo. Il sistema installato su MAST-U dimostra la capacità di integrare le camere SXR esistenti aggiungendo la dimensione spettrale alle misure già risolte spazialmente e temporalmente. I risultati evidenziano il potenziale della diagnostica GEM per migliorare la comprensione della dinamica del plasma, nonché le sfide associate al suo funzionamento in ambienti con intensa radiazione neutronica.