This paper presents a diagnostic system, gamma-ray alpha-particle monitor (GRAM), for continuous monitoring of deuterium–tritium fusion α-particles in the MeV energy range escaped from the plasma to the first wall. The diagnostic is based on the detection of γ-rays produced in nuclear reactions. The reactions 9Be(α,nγ)12C and 10B(α,pγ)13C have been selected. For that purpose, Be- or 10B-target is placed on the first wall, where the alphas are expected to be mostly lost. Striking the target, the lost alphas generate specific γ-rays, if their energy Eα > 1.5 MeV. To measure this γ-ray emission, the target should be in the field of view of a collimated detector, which is protected from neutrons and background gammas. The calibrated detector could deliver absolute values of the lost α-particle flux with a temporal resolution depending on intensity of losses. A high-performance γ-ray spectrometer with a novel architecture, GRITER, is proposed to be used in GRAM. It consists of a stack of the optically isolated high-Z fast scintillators with independent signal readout. GRITER is supposed to be operated at count-rates substantially exceeding the capability of a single crystal detector of the same size. The GRAM diagnostic system consists of two identical spectrometers, which measure both γ-rays due to α-particle loss and γ-ray background ensuring reliable data in a harsh reactor environment. GRAM could be tested during the non-DT plasma operation monitoring lost DD fusion products, neutral beam heating D-ions (ED > 0.5 MeV) and ICRF accelerated H- and 3He-ions through the detection of γ-rays resulting from nuclear reactions. The use of GRAM on JET and ITER, including events with extremely high loss rates, is discussed.
本論文は、重水素-トリチウム核融合から生じるMeVエネルギー範囲のα粒子がプラズマから第一壁へ逃散する現象を連続監視するための診断システム、ガンマ線α粒子モニター（GRAM）を提示する。本診断は、核反応9Be(α,n)12Cおよび10B(α,p)13Cにおいて生成されるγ線の検出に基づく。この目的のため、Beまたは10Bターゲットを、α粒子の大部分が逃散すると予想される第一壁に配置する。逃散α粒子がターゲットに衝突すると、そのエネルギーEα > 1.5 MeVの場合、特徴的なγ線が生成される。このγ線放出を測定するには、ターゲットがコリメートされた検出器の視野内にある必要があり、検出器は中性子およびバックグラウンドγ線から遮蔽される。較正された検出器により、損失α粒子フラックスの絶対値を、損失強度に依存する時間分解能で測定できる。GRAMでは、新規アーキテクチャを備えた高性能γ線分光計GRITERの使用が提案されている。GRITERは、独立した信号読み出しを備えた光学的に分離された高Z高速シンチレータのスタックで構成され、同じサイズの単結晶検出器の能力を大幅に超える計数率での動作が想定されている。GRAM診断システムは、2つの同一の分光計で構成され、α粒子損失によるγ線とバックグラウンドγ線の両方を同時に測定することで、過酷な炉環境下でも信頼性の高いデータを保証する。GRAMは、非DTプラズマ運転中に、損失DD核融合生成物、中性粒子加熱用重水素ビームイオン（ED > 0.5 MeV）、およびICRF加熱による高エネルギーHおよび3Heイオンを、それらの核反応から生じるγ線の検出を通じて監視する試験が可能である。JETおよびITERにおけるGRAMの使用は、極めて高い損失率の事象を含め、議論される。