EAST中子核伽马射线辐射场监测与研究

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托卡马克等离子体放电期间,会产生大量电离辐射的中子和伽马射线。在每次D-D或D-T核聚变反应,会有产生1个或者2个高能中子,同时,这些高能中子会与托卡马克装置壁发生作用产生大量的伽马射线,因此,在等离子体放电实验中,托卡马克装置便成为了中子和伽马射线的辐射源。伴着每一炮等离子体放电,产生的脉冲式辐射场,对托卡马克装置周边环境安全有着重要的影响,是核辐射防护的重点,因此,核辐射场监测系统的建设和核辐射场研究,可为核辐射防护研究提供可靠的数据来源,是开展辐射环境系统研究的基础。基于此目的,本论文对EAST托卡马克周围环境的中子和伽马射线辐射场进行监测与研究,主要包括:中子和伽马射线的探测原理与探测器,中子和伽马射线辐射场监测点,中子和伽马射线辐射场监测系统,及中子和伽马射线辐射场的研究。  首先,论文对中子和伽马射线的基本概念及特性进行概述,给出核辐射常用的表示量与单位和本论文研究中采用的剂量当量(Sv)与剂量当量率(Sv/s)。其次,论文对中子和伽马射线的探测原理及中子和伽马射线探测器进行概述,同时,对热释光剂量计和热释光探测的基本原理及热释光剂量读取装置进行了介绍。  之后,论文对EAST托卡马克装置、结构和等离子体参数进行了概述,给出中子和伽马射线辐射场监测点的布局。为验证EAST大厅对中子和伽马射线辐射场的屏蔽效果及监测EAST周围关键场所的中子和伽马射线辐射场,在EAST大厅内外分别设置了十三个固定辐射场监测点(大厅内部三个监测点,大厅外部十个监测点)和一个可移动的辐射场监测点,并对每个辐射场监测点的布局进行了分析与讨论。  随后,设计并建立EAST中子和伽马射线辐射场监测系统。在每一个监测点布置一个中子探测器和一个伽马射线探测器。分析中子探测器和伽马射线探测器的结构及特性,选定了辐射场监测系统使用的中子探测器型号和伽马射线探测器型号,研究和设计了辐射场监测的硬件系统。基于LabVIEW8.5设计了辐射场监测的软件系统,实现了数据请求、写数据、通信口定义、读数据、数据实时显示、数据实时保存等功能。为了精确地监测等离子体放电实验期间EAST托卡马克装置周围环境的中子累积剂量和伽马射线累积剂量,并同中子和伽马射线辐射场在线监测系统得到的累积剂量相互补充校准、比较,我们设计了热释光累积剂量测量系统。  最后,基于辐射场监测系统得到的中子和伽马射线数据,分析并研究了EAST中子和伽马射线脉冲式辐射场。目前EAST托卡马克装置主要采用欧姆自加热,离子回旋射频、电子回旋射频、低杂波驱动和中性束注入等几种辅助加热方式,这几种放电方式产生脉冲式辐射场,只是中子的产额有所不同。由于等离子体放电期间产生的中子和伽马射线有很强的穿透能力,EAST大厅内外都会有中子和伽马射线,因此,通过监测系统可获得辐射场环境本底和等离子体放电期间产生的中子和伽马射线实时剂量率,给出监测点处的辐射场强度,进而得到EAST大厅对中子和伽马射线的屏蔽情况。分析并研究了中性束(NBI)加热下的等离子体放电期间,EAST大厅内部三个监测点处中子剂量率和伽马射线剂量率。在等离子体参数相同的中性束(NBI)加热放电下,大厅内部三个监测点处的中子剂量都近似地随着中性束(NBI)注入功率的增加而增加,间接地肯定了中性束(NBI)加热放电效果。根据一次EAST等离子体聚变放电实验期间EAST周围环境辐射场的中子累积剂量和伽马射线累积剂量,得到了EAST大厅外部辐射场的累积剂量远小于大厅内部辐射场的累积剂量与5mSv(核技术专职工作人员的年安全限值)的结果,肯定了EAST大厅对中子和伽马射线具有很好的屏蔽效果。
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