Development and Characterization of Silicon Carbide Neutron Detectors for Fusion Reactors

This thesis is a monography on the use of Silicon Carbide (SiC) Solid State Detector (SSD) as a fast neutron counter and spectrometer for fusion plasma applications. It details the research activities conducted on a series of SiC prototypes to characterize them, contributing to their development and assessment of their potential. Neutron detection is possibly the main way of obtaining information on a fusion plasma in a Tokamak. Through it is possible to determine the fusion power, determine the plasma location and density and estimate the production of tritium in the breeder elements. By measuring the neutron energy spectrum it is also possible to infer other plasma properties, like the fuel ion ratio or the ion temperature. Tokamak environments, though, put unprecedented challenges on the diagnostics: large neutron fluxes, the presence of intense magnetic fields, high temperatures, and intense radiation. SSDs feature very promising characteristics for handling the aforementioned challenges. Since the SiC is a relatively unexplored SSD design, the research activities of this PhD project aimed to characterize a series of SiC prototypes, developed in conjunction with IMM-CNR, finding their strengths compared to the state of art of SSDs, the diamond detector. The activity has been dedicated to characterization of eight prototypes through neutron and charged particles irradiation, developing methods for data analysis, electronics management, hardware manufacturing and more. Detection characteristics (efficiency, energy resolution, stability and more) were studied in different configurations, finding methods to improve them and using the results as a basis for the manufacturing of new, improved prototypes. Stress tests were also conducted under harsh conditions, highlighting the functionality of the detector in harsh environments. Unprecedented methods of operations, like the partial depletion detection, were also experimented, finding new beneficial uses for the detector. Results point out that the SiC is a valid alternative for neutron counting and spectroscopy in Tokamaks, possibly being a better than diamond in some context (e.g.: high temperature detection or high dynamic range flux measurements) but not all context (e.g.: high resolution spectroscopy). The research may serve as a comprehensive basis for future SiC developments and manufacturing, as well as experiments and the use of the detector on future Tokamak experiments for a variety of purposes.

Questa tesi è una monografia sull'uso del rilevatore a stato solido di carburo di silicio (SiC) come contatore e spettrometro di neutroni veloci per le applicazioni di plasmi da fusione. In essa sono illustrate le attività di ricerca condotte su una serie di prototipi SiC per caratterizzarli, contribuendo al loro sviluppo e alla valutazione del loro potenziale. La rilevazione dei neutroni è il principale modo per ottenere informazioni su un plasma a fusione in un tokamak. Attraverso di essa è possibile determinare la potenza di fusione, individuare la forma e la densità del plasma e stimare la produzione di trizio nel breeding blanket. Misurando lo spettro energetico dei neutroni è inoltre possibile dedurre altre proprietà del plasma, come il rapporto tra deuterio e trizio o la temperatura ionica. Tuttavia, il contesto pone sfide senza precedenti per le diagnostiche: elevati flussi di neutroni, la presenza di intensi campi magnetici, temperature elevate e alti livelli di radiazione. I rilevatori allo stato solido basati sul SiC presentano caratteristiche molto promettenti per affrontare tali sfide. Poiché il SiC è un design di rilevatore a stato solido relativamente inesplorato, le attività di ricerca di questo progetto di dottorato hanno avuto lo scopo di caratterizzare una serie di prototipi SiC, sviluppati in collaborazione con IMM-CNR, individuando i loro punti di forza rispetto allo stato dell'arte dei rilevatori a stato solido, il rilevatore a diamante. Nel corso dell’attività sono stati caratterizzati otto prototipi di SiC mediante irraggiamento di neutroni e particelle cariche. Sono stati anche sviluppati metodi per l'analisi dei dati, la gestione dell'elettronica, la manifattura della componentistica ed altro ancora. Le caratteristiche del rilevatore (efficienza, risoluzione energetica, stabilità ed altro) sono state studiate in diverse configurazioni, individuando metodi per migliorarle e utilizzando i risultati come base per la produzione di nuovi prototipi. Sono stati condotti anche test di stress in condizioni estreme, evidenziando la funzionalità del rilevatore in ambienti ad alte temperature. Sono state sperimentate, infine, innovative metodologie di funzionamento, come la “partial depletion operation”, scoprendo nuovi utilizzi per il rilevatore. I risultati indicano che il SiC è un'alternativa valida per il conteggio e la spettroscopia dei neutroni nei tokamak, potenzialmente migliore del diamante in alcuni contesti (come la rilevazione a temperature elevate o la misura di flussi con un ampio range dinamico) ma non in tutti i contesti (come la spettroscopia ad alta risoluzione). La ricerca può fungere da base esaustiva per futuri sviluppi e produzioni di SiC, nonché per esperimenti e l'uso del rilevatore in future prove su tokamak per una ampia varietà di scopi.