Comparative analysis of sCVD, SiC, and Si detectors for neutron measurements in nuclear fusion

Abstract

Die Vision von Kernfusion als saubere Energiequelle galt jahrzehntelang als „noch 30 Jahre entfernt“. Diese Perspektive wandelt sich nun rapide, und angesichts des drängenden Bedarfs an nachhaltigen Energien könnte Kernfusion bald Wirklichkeit werden. Herausforderungen, insbesondere die Plasma-Kontrolle in Fusionsreaktoren, bleiben bestehen. Zur Überwindung dieser Hürden kommen verschiedenste Plasmadiagnostiken zum Einsatz, darunter die Neutronendiagnostik, die Materialien erfordert, die als Neutronenkonverter und Sensor dienen. Drei Materialien wurden hierfür in dieser Arbeit evaluiert: Silizium (Si), einkristalliner CVD-Diamant (sCVD) und Siliziumkarbid (SiC).Die Untersuchungen für die vorliegende Arbeit wurden in Athen bei NCSR "Demokritos" druchgeführt. Hierfür wurden Messungen mit monoenergtischen Neutronen durchgeführt. Es wurden Messungen bei 2.45MeV (entspricht der Deuterium-Deuterium-Fusion), 2.95MeV, 3.45MeV und 3.95MeV durchgeführt, um die Detektoren eingehend zu analysieren. Die Detektorantworten wurden mit Monte-Carlo Geant4 Simulationen abgeglichen.Ein spektroskopischer Verstärker und ein Digitalisierungssystem mit 14-Bit- Auflösung wurden entwickelt, um die Messungen zu ermöglichen. Ein BF3-Zähler diente als Referenzdetektor zum Vergleich der Neutronenantwortfunktionen der Detektoren bei unterschiedlichen Energien.Der sCVD-Detektor zeigte sich aufgrund höherer Neutronendetektion und besserer γ-Untergrundunterdrückung dem SiC-Detektor überlegen. Der Si-Detektor wurde wegen seiner γ-Empfindlichkeit und mangelnder neutroneninduzierter Antwort ausgeschlossen.

"Nuclear fusion is always 30 years away" was for a long time the answer to any nu- clear fusion related question. But a green and sustainable energy source is needed more then ever before. Nuclear fusion is close to being a reality, but some challenges still remain. One remaining challenge is the control of the plasma inside the reactor, which uses different diagnostic systems. Neutron diagnostics are one of the diagnostics utilised and are therefore of great interest for future large scale fusion reactors. Ideally the sensor material acts as neutron converter and sensor at the same time. Three contestants are in consideration, a silicon detector (Si), a single-crystal CVD diamond detector (sCVD) or a silicon-carbide detector (SiC).This works has used monoenergetic neutron beams at NCSR “Demokritos” in Athens to compare the three detector contestants at four different neutron ener- gies, one being 2.45 MeV, precisely the neutron energy in Deuterium-Deuterium fu- sion. To gain a deeper understanding, three additional neutron energies, 2.95 MeV, 3.45MeV and 3.95MeV, were also investigated. To do so, the response function of each detector was measured and processed to obtain the measured neutron re- sponse function. Additionally, the neutron response function was subsequently compared with GEANT4 simulations.For this purpose, a spectroscopic amplifier was developed and characterised and a new digitizer system was developed to take the data with 14-bit resolution. Furthermore is the data analysis described in great detail in this work. A BF3 counter was used as a reference detector to compare the detectors and to compare the measured neutron response functions of the detectors at different neutron energies.The sCVD detector performance was found to be superior to the SiC detector due to its higher identifiable neutron count percentage as well as a better γ-background rejection. The Si detector was discarded as a contestant due to its γ sensitivity and lack of neutron induced response function feature.