Development of a thin-target hard X-ray bremsstrahlung detection system to study confined runaway electrons in Aditya-U Tokamak

Resumen Técnico: Desarrollo de un Sistema de Detección de Bremsstrahlung de Rayos X Duros de Blanco Delgado para Aditya-U

Planteamiento del Proble elma
En los plasmas de tokamaks, los colapsos de tipo sawtooth están frecuentemente asociados con ráfagas de picos de rayos X duros (HXR). Persiste una ambigüedad crítica respecto al origen de estas ráfagas: si resultan de la generación de nuevos haces de electrones no térmicos mediante reconexión magnética o de la pérdida de electrones fugitivos (RE) preexistentes hacia los limitadores de la cámara. Los diagnósticos de HXR existentes en el tokamak Aditya-U, como el detector de centelleo de NaI(Tl) tangencial, observan todo el volumen del plasma y las estructuras periféricas. En consecuencia, miden una superposición de bremsstrahlung de blanco delgado (de electrones energéticos interactuando con el plasma masivo) y bremsstrahlung de blanco grueso (de electrones chocando contra los limitadores y componentes estructurales). Esta falta de discriminación espacial impide establecer un vínculo definitivo entre la actividad de sawtooth y dinámicas de electrones específicas, tales como la formación de haces no térmicos frente a la pérdida de confinamiento.

Metodología
Para resolver esto, los autores desarrollaron un sistema de diagnóstico de HXR especializado con restricción de línea de visión, diseñado para medir exclusivamente el bremsstrahlung de blanco delgado de la región del núcleo del plasma, abarcando específicamente el radio de inversión del sawtooth.

• Selección del Detector: Se seleccionó un detector semiconductor de Teluro de Cadmio (CdTe) en lugar de los detectores de centelleo convencionales acoplados a tubos fotomultiplicadores (PMT). Se eligió el CdTe por su insensibilidad intrínseca a campos magnéticos fuertes, sus dimensiones compactas (5 × 5 × 2 mm³) y su capacidad de operar a temperatura ambiente con alta capacidad de tasa de conteo (~3 × 10⁵ cps) y buena resolución de energía (6–8 keV a 122 keV).
• Blindaje y Colimación: Para aislar la señal del núcleo del plasma, el detector está alojado dentro de un blindaje de plomo de 6 cm de espesor y un colimador de plomo de 32 cm de longitud con una apertura de 8 mm. Esta geometría restringe el campo de visión (FOV) a una cuerda vertical estrecha que pasa por el centro del plasma y termina en una ventana de un puerto inferior, bloqueando eficazmente las emisiones de las paredes de la cámara y los limitadores.
• Filtrado: Un filtro de aluminio de 1.5 mm de espesor total (0.5 mm de carcasa + 1 mm de ventana externa) atenúa los rayos X de baja energía (<10 keV) para reducir el ruido de fondo mientras preserva el espectro de rayos X duros.
• Electrónica: El sistema utiliza un preamplificador sensible a la carga y un amplificador de modelado de pulsos con tiempos de modelado ajustables (0.5–6 µs) para optimizar el análisis de altura de pulso (PHA) a altas tasas de conteo. Los datos se digitalizan a 1 MHz para su análisis fuera de línea.
• Validación: El sistema fue probado en descargas de Aditya-U (por ejemplo, #38965 y #38986). Un experimento comparativo consistió en bloquear la apertura del colimador con una varilla de plomo para verificar que la señal detectada se origina únicamente de la vista colimada del plasma.
• Modelado: Los espectros experimentales fueron validados mediante un código de modelado directo. Este código calcula el flujo de fotones esperado basado en parámetros del plasma (densidad, temperatura), características de los RE (densidad, distribución de energía, ángulo de pitch) y la geometría del diagnóstico, incorporando secciones eficaces diferenciales dobles (DDCS) para el bremsstrahlung electrón-ión y electrón-electrón.

Resultados Clave

• Aislamiento de la Señal: Las mediciones comparativas confirmaron la eficacia del diagnóstico. Cuando la apertura del colimador estaba abierta, se detectó una clara señal de HXR. Cuando la apertura se bloqueó, la señal casi desapareció, demostiendo que el sistema logra aislar la radiación del volumen de plasma objetivo y suprimir el ruido de fondo de las paredes de la cámara.
• Acuerdo Espectral: El espectro de HXR medido experimentalmente (adquirido en modo de conteo durante un intervalo de 60 ms) mostró un buen acuerdo con el espectro sintético generado por el código de modelado directo. El mejor ajuste se logró asumiendo un haz de electrones fugitivos de 1 MeV y un ángulo de pitch de 0°.
• Rendimiento del Sistema: El sistema basado en CdTe operó con éxito en el rango de energía de 20–350 keV, demostrando la capacidad de resolver el bremsstrahlung de blanco delgado sin los problemas de saturación observados en el detector de NaI(Tl) existente bajo condiciones de alto flujo.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que este nuevo diagnóstico proporciona la primera medición exitosa de bremsstrahlung de rayos X duros de blanco delgado desde el núcleo del plasma del tokamak Aditya-U. Su principal significancia radica en su capacidad para desacoplar la emisión de blanco delgado generada en el núcleo de la emisión de blanco grueso asociada al limitador. Al operar simultáneamente con el monitor de HXR tangencial existente, este sistema ofrece una herramienta poderosa para abordar la larga pregunta de si los colapsos de sawtooth generan nuevos haces de electrones no térmicos o simplemente desencadenan la pérdida de los RE existentes. Específicamente, los autores postulan que observar picos de HXR en el sistema con visión al limitador, mientras se nota su ausencia en el nuevo diagnóstico de blanco delgado, indicaría que los colapsos de sawtooth conducen predominantemente a la pérdida de los RE preexistentes. Además, el sistema permite la estimación de la energía y el ángulo de pitch del haz de RE confinado, con la planificación de trabajos futuros para incorporar funciones de distribución de RE más complejas y perfiles de densidad de plasma espacial para refinar estas estimaciones.