Osnova/Outline:
Tokamak je zařízení, vytvářející toroidální magnetické pole, používané jako magnetická nádoba pro uchovávání vysokoteplotního plazmatu. Slovo pochází z ruštiny, kde Токамак je zkratkou popisu тороидальная камера с магнитными катушками (toroidní komora v magnetických cívkách). Myšlenka tokamaku se zrodila v 50. letech Igorem Jevgeněvičem Tammem a Andrejem Sacharovem. Dnes se tokamaky považují za jednu z nejnadějnějších cest k realizaci řízené jaderné fúze, která by mohla sloužit jako zdroj téměř neomezeného množství energie.
Vysokoteplotní plazma obsahuje volné elektrony a ionty. Elektrony mohou být za vhodných podmínek v tokamaku urychlovány po kruhových drahách, a to až na energii několik MeV. Odstředivá síla by měla být vykompenzována Lorentzovou silou magnetického pole. Za jistých podmínek se však stane, že část elektronů se nějakým způsobem uvolní a narazí na stěnu tokamaku. Těmto elektronům říkáme ubíhající (run-away electrons). Vznik ubíhajících elektronů je jevem nežádoucím, proto je intenzivně studován s cílem tento jev potlačit. Stávající diagnostika je postavená na detekci tvrdého rentgenového záření, které vzniká, když ubíhající elektrony narazí na stěnu komory tokamaku. Pro detekci ubíhajících elektronů v plazmatu ještě v průběhu jejich vzniku je však třeba vyvinout novou detekční technologii. V posledních letech se výzkum zaměřil na využití inverzního Comptonova jevu, který může takovou technologii umožnit.
Inverzní Comptonův rozptyl je rozptyl světelného fotonu, pocházejícího obvykle z laseru, na relativistickém elektronu. Rozptýlený foton má vyšší energii (v případě rozptylu na ubíhajících elektronech v komoře tokamaku to může být až 10 keV) a je možné ho detekovat některými detektory ionizujícího záření. Mezi takové patří R/O čip Timepix4 se subnanosekundovým časováním, který byl vloni uvolněn CERN pro testování ve vědeckých projektech. Osazení tohoto čipu senzorem ze SiC, který není citlivý na světlo a je velmi radiačně odolný, dělá z takového detekčního zařízení potenciální prostředek zpětné vazby pro řízení plazmového výboje.
Cílem této práce je shrnout dosavadní poznatky o využití inverzního Comptonova rozptylu na tokamacích, osvojit si numerické nástroje popisující tento rozptyl (CAIN nebo Geant4) a experimentálně prozkoumat nové R/O čipy vyvinuté v CERN pro potřeby monitorování ubíhajících elektronů. Práce je navržena jako komplementární k pracím Štěpána Malece, který se dlouhodobě věnuje využití Comptonova jevu pro monitorování ubíhajících elektronů. Práce bude vedena ve spolupráci se společností Advacam, s.r.o., která disponuje čipy Timepix4, a se Slovenskou akademií věd, kde vyvíjí senzory ze SiC. Práce je vhodná pro studenta se zájmem o řešení fyzikálních problémů, programování, zpracování dat a případně o digitální elektroniku a automatizaci. Počítá se, že student nejpozději na začátku doktorského studia naváže spolupráci se zahraničním pracovištěm, kde zúročí poznatky a osobní kontakty získané během řešení své bakalářské a diplomové práce.
Zadání/Task:
1. Nastudujte princip inverzního Comptonova rozptylu a vysvětlete ho v práci pomocí jednoduchých myšlenkových experimentů.
2. Proveďte rešerši odborné literatury (zejména článků publikovaných v mezinárodních vědeckých recenzovaných časopisech a výstupů mezinárodních vědeckých konferencí) s cílem shrnout poznatky o využití inverzního Comptonova rozptylu na tokamacích.
3. Seznamte se se simulačními nástroji CAIN a Geant4 a pokuste se o počítačovou simulaci uvedených myšlenkových experimentů.
4. Seznamte se s detekčními moduly založenými na čipech Timepix3 a Timepix4 osazených různými senzory a na základě výše zmíněných simulací se pokuste odhadnout, zda tyto moduly by byly použitelné v zamýšlené aplikaci.
Literatura/References:
1. R.J.E. Jaspers: „Relativisitc Runaway Electrons in Tokamak Plasmas“, Disertační práce, ISBN 90-386-0474-2, Technische Universiteit Eindhoven, 1995.
2. G. Tallents: „An Introduction to Special Relativity for Radiation and Plasma Physics“, Cambridge University Press, 2022.
3. GERNDT, J., PRŮŠA, P.: „Detektory ionizujícího záření“, ČVUT, 2011.
4. G.F. Knoll: „Radiation Detection and Measurement“, John Wiley & Sons, Inc., 2000