Study of DIAMON neutron spectrometer response to a deuterium-deuterium plasma field

This thesis deals with the preliminary study of the use of the DIAMON (DIrection-aware Isotropic and Active Neutron Monitor) system for neutron spectrometry of fusion-relevant fields. The focus is on the analysis of a measurement campaign carried out with a first, general purpose, device in a Deuterium-Deuterium (DD) plasma field generated by the WEST tokamak of the CEA (Cadarache). The main objective is to investigate the potentiality and limitations of such version of the DIAMON device in the reconstruction of neutron energy spectra and their time evolution during plasma discharges. The work combines theoretical, numerical, and experimental approaches. After introducing the mechanisms of neutron interactions and detection principles, a preliminary numerical analysis examined the expected response of DIAMON to neutron spectra typical of DD fusion fields. It is worth mentioning that a DD field is always accompanied by a contribution from a Deuterium-Tritium (DT) field, which introduces a second fast peak in the neutron spectra. Both parametric and numerical unfolding algorithms were tested. The numerical approach showed higher resolution in the MeV region, but a reduced sensitivity to multiple fast components still remains. Experimental data from the WEST C9 campaign showed complex spectra characterized by thermal and epithermal components with a broad fast tail up to the MeV energy. To study the results, a new family of physically constrained test spectra was also used for unfolding. A specific post-processing routine for a time- resolved analysis was also used, revealing that the spectral shape was stable but exhibited transient hardening and short-lived variations. Overall, this first DIAMON version reliably reconstructed the global spectral morphology and its temporal evolution. Results also highlighted some limitations in the spectral capability of such device in the fast region. Based on this work, the development of a novel system tailored for fusion applications, including detector upgrades and Monte Carlo simulations of the irradiation field, could confirm the relevance of the spectrometric approach for ITER-oriented neutron monitoring.

Questa tesi si occupa di uno studio preliminare con DIAMON (DIrection-aware Isotropic and Active Neutron Monitor) per la spettrometria neutronica di campi a fusione. L’attenzione è rivolta all’analisi di una campagna di misure, condotta mediante un primo prototipo a uso generico, su un campo di plasma Deuterio-Deuterio (DD) generato dal tokamak WEST di CEA (Cadarache), con l’obiettivo di investigare le potenzialità e limitazioni nel ricostruire spettri neutronici e la loro evoluzione temporale durante la scarica di plasma. Questo lavoro combina approcci teorici a numerici e sperimentali. Dopo una prima introduzione sui meccanismi di interazione di neutroni e i principi di rivelazione, è stata condotta una prima analisi numerica sulle risposte previste impiegando il DIAMON con spettri neutronici tipici di campi DD. É importante ricordare che un campo DD è sempre accompagnato da un campo di Deuterio-Trizio (DT), che introduce un secondo picco nella regione ad alte energie nello spettro neutronico. Sono stati impiegati algoritmi di unfolding parametrico e numerico. L’approccio numerico ha mostrato una risoluzione energetica maggiore nella regione del MeV, ma rimane una bassa sensibilità a componenti multiple ad alte energie. Dati sperimentali dalla campagna C9 condotta sul WEST mostrano spettri caratterizzati da componenti termiche ed epitermiche e una coda fino al MeV. Per studiare questi risultati è stata impiegata una nuova famiglia di spettri test più fisicamente coerenti. É stata impiegata una routine post- elaborazione per una analisi temporale, mostrando che la forma spettrale è mantenuta nel tempo, salvo brevi variazioni come indurimenti dello spettro. In generale, questa prima versione di DIAMON ha ricostruito eccellentemente la forma generale dello spettro e la sua evoluzione temporale. I risultati hanno evidenziato alcune limitazioni alle alte energie. Basandosi su questo lavoro, si può sviluppare una versione apposita per le alte energie, con miglioramenti del dispositivo e tramite simulazioni Monte Carlo del campo, per confermare l’importanza di un approccio spettrometrico per il monitoraggio neutronico in dispositivi per lo sviluppo di ITER.