Design consideration for high-energy-resolution neutron spectrometer based on associated particle detection using proton recoil telescope and time-of-flight technique for ITER

反跳陽子テレスコープ(PRT)法と二結晶型飛行時間(TOF)法を組合せた共役粒子測定法に基づくITER用高エネルギー分解能中性子スペクトロメータの設計検討

直井 紀拓*; 浅井 啓輔*; 井口 哲夫*; 渡辺 賢一*; 河原林 順*; 西谷 健夫

Naoi, Norihiro*; Asai, Keisuke*; Iguchi, Tetsuo*; Watanabe, Kenichi*; Kawarabayashi, Jun*; Nishitani, Takeo

核融合実験炉における中性子スペクトル計測は、燃焼プラズマ中のイオン温度(速度分布)を知る有力な手段である。国際熱核融合実験炉ITERにおいては、DT中性子(14.1MeV)に対し3%程度の高いエネルギー分解能と110cmの検出効率が求められている。ITERにおける、このイオン温度測定用高エネルギー分解能中性子スペクトロメータの概念として、反跳陽子テレスコープ(PRT)法と二結晶型飛行時間(TOF)法を組合せた手法を新規に考案した。本手法は、従来のPRTやTOFで問題となっていた反跳陽子や散乱中性子の角度拡がりによるエネルギー分解能の悪化を原理的に抑制でき、検出効率を損なうことなくエネルギー分解能の向上が可能である。本方式の原理実証及び性能評価を行うため、プロトタイプのシステムを製作し、日本原子力研究開発機構核融合中性子源施設FNSにおいて単色DT中性子の測定を試み、半値幅で3.3%のエネルギー分解能が達成されることを実証した。その結果に基づく検討により、本システムがITERに対して最高出力から1桁以内の領域で適用可能である見通しが得られた。

The high-energy-resolution neutron spectrometry is a useful method to obtain the ion temperature and velocity distribution in nuclear fusion and/or burn plasmas. For ion temperature measurement in the ITER, we propose a promising neutron spectrometer with high-energy-resolution based on the associated particle detection using a proton recoil telescope (PRT) and a time-of-flight spectrometer (TOF). In a general PRT or TOF spectrometer, uncertainty of incident angles of recoiled protons or scattered neutrons incoming to rear detector, respectively, is a cause of deterioration of their energy resolution. In this system, no angular information is required to obtain the incident neutron energy. It is possible to enlarge the solid angles of the rear detectors subtended by the radiator to increase the detection efficiency without deterioration of the energy resolution. To verify the operational principle and the basic performance of this system, we have constructed a prototype system through Monte Carlo simulations and carried out a preliminary experiment with a deuterium-tritium neutron beam at the Fusion Neutronics Source (FNS), JAEA to obtain the energy resolution around 3.3% (in FWHM) for DT neutrons. As a result of the study for the experiment, it is expected that this system can be applied to ITER at the power within 1 order of magnitude of the maximum with measurement accuracy better than 10%.