Neutron-gamma and pile-up discrimination aiming at plasma real-time control in nuclear fusion experiments

Abstract

Nuclear fusion is a potential candidate for energy production in the coming century. One relevant challenge in its development is both scientific and technically challenging: how to control plasma in destructive environments. Real-time plasma control relies on massive amounts of information from diagnostics tools. One of these diagnostics is the neutron emissivity profile, which requires the processing of hundreds of thousands of pulses each second. Neutron-generating processes in fusion are associated with the emission of gamma rays, which makes discrimination of neutrons from gammas in a detector a necessity. In a high count-rate environment, the probability of superimposed pulses, or pile-up, can be a significant proportion of events. Pile-up rejection and statistical compensation can mitigate its statistical effect. Pulse-Shape Discrimination (PSD) algorithms discriminate neutrons from gammas, but accurate algorithms are generally too slow or computationally intensive to apply for plasma control in real-time, in particular for discriminating particle types in piled-up signals. Monte-Carlo simulation is used to generate custom waveforms, based on a known semiempirical equation that parametrizes scintillation pulse shapes according to an exponential decay rate and exponential rise time. This well-studied waveform is used in a template-matching pileup separation algorithm, mixed with a recent PSD offline approach, by rating each pile-up event against all possible neutron-gamma template combinations. It is found that the algorithm can adequately perform PSD in piled-up pulses using real data. With the computationally expensive portion of the algorithm being performed in calibration, it has the potential for real-time usage.

A fusão nuclear é um candidato potencial para a produção de energia no próximo século. Um desafio relevante no seu desenvolvimento é simultaneamente científico e técnico: como controlar o plasma em ambientes destrutivos. O controlo do plasma em tempo real depende de enormes quantidades de informação proveniente de ferramentas de diagnóstico. Um destes diagnósticos é o perfil de emissividade de neutrões, que requer o processamento de centenas de milhares de pulsos por segundo. Os processos geradores de neutrões na fusão estão associados à emissão de raios gama, o que torna necessária a discriminação dos neutrões dos raios gama num detector. Num ambiente de alta taxa de contagem, a probabilidade de sobreposição de pulsos, ou de empilhamento, pode ser uma proporção significativa de eventos. A rejeição de empilhamento e a compensação estatística podem mitigar o seu efeito estatístico. Os algoritmos de PSD (Discriminação da forma do impulso) discriminam os neutrões dos gammas, mas os algoritmos precisos são geralmente demasiado lentos ou computacionalmente intensivos para se aplicarem ao controlo de plasma em tempo real, em particular para discriminar os tipos de partículas em sinais empilhados.A simulação de Monte-Carlo é utilizada para gerar formas de onda personalizadas, com base numa equação semi-empírica conhecida que parametriza formas de pulso de cintilação de acordocom uma taxa de decaimento exponencial e tempo de subida exponencial. Esta forma de onda bem estudada é utilizada num algoritmo de discriminação da forma de onda baseado em TM (Template Matching), misturado com uma recente abordagem PSD offline, classificando cada evento de empilhamento contra todas as combinações possíveis de modelos de neutrões-gama. Descobriu-se que o algoritmo pode executar adequadamente o PSD em pulsos de empilhamento, usando dados reais. Com a parte computacionalmente intensiva do algoritmo a ser executada na calibração, tem o potencial para utilização em tempo real.