SPARC tokamak DT 实验中伽马射线发射的合成模型

在热核等离子体中，等离子体离子经历核反应会发射能量在 MeV 范围内的伽马射线。其光谱学可以传递大量等离子体信息，包括 DT 核聚变功率、快速离子的空间与速度分布，以及等离子体加热性能。本文工作模拟了在 SPARC tokamak 进行一次基准放电时预期看到的伽马射线发射， SPARC 预计产生 140 MW 的核聚变功率，能量增益因子达到 $Q \approx 11$。我们特别关注 T(D, $\gamma$)He-5、B-10(He-4, p $\gamma$)C-13 和 D(He-3, $\gamma$)Li-5 反应。我们采用 TRANSP 代码计算的真实等离子体轮廓，并使用 CQL3D 和 TORIC 模拟等离子体的射频加热。建议伽马光谱仪基于镧镝（lanthanum bromide）无机闪烁探测器的可能位置。对于每一种位置，评估了伽马射线相对于中子的数信噪比，使用 ray-tracing 代码 ToFu 和高保真蒙特卡洛模型（MCNP 和 OpenMC）来求解 SPARC 中的辐射传输。我们构想了一个由高密度聚乙烯制成的专用中子衰减器，以允许在高中子产量实验期间进行伽马光谱学。最后，讨论了 LaBr$_3$ 探测器在重建 SPARC 产生的聚变功率方面的性能。