用于高精度裂变截面测量的 时间投影室（TPC）的研制 清华大学工程物理系 闫洋洋
内容提纲 背景介绍 系统物理设计 系统机械设计 总结
背景介绍 核反应堆、核武器以及核素合成等领域对裂变截面等参数的精度有较高的要求：1%； 目前对于235U、238U、239Pu等主要裂变核素，反应截面目前的精度为3%-5%，在快中子区域精度会更差。 图1，不同实验测得的Pu-239的裂变截面，波动最大高达20%，尽管这些实验各自认为自己的统计及系统误差远小于此。 图2，不同的数据库给出的239Pu/235U的裂变截面数据比值，14MeV以下，波动在2-3%，14MeV更大 ENDL：Evaluated Neutron Data Library JENDL：Japanese evaluated nuclear data ENDF：Evaluated Nuclear Data File 不同实验测得的239Pu的反应截面 不同实验测得的239Pu/235U反应截面
背景介绍-传统测量方法及问题 不确定度来源： 1、α粒子与裂变碎片的甄别 2、束流和靶厚度的不一致性 3、使用235U作为参考靶 不确定度来源： 1、α粒子与裂变碎片的甄别 2、束流和靶厚度的不一致性 3、使用235U作为参考靶 裂变室结构框图
背景介绍- TPC TPC能够精确的测出带电粒子在漂移区域的三维径迹和dE/dx
TPC用于裂变截面测量时的优势 1、α粒子与裂变碎片的甄别 裂变碎片 粒子 能量与射程关系图 粒子 裂变碎片 裂变室能谱示意图
TPC用于裂变截面测量时的优势 TPC： 2、靶的厚度不一致性 裂变室：使用α计数仪扫描靶的α衰变速率 计数器本身标定的误差 计数器的探测效率的不一致，大角度的α粒子会在靶中损失掉大部分的能量，效率较低； 测量给出的是平均值，但靶的厚度的不一致一般在5%左右。 TPC： 对于0-89°出射的α粒子，TPC的探测效率可以达到100%，α粒子探测效率引起的误差会非常小。 TPC可以测量α粒子的三维径迹，径迹的起始点为α粒子飞离靶的位置，可以直接测量靶不同位置处α的计数率，直接测得厚度的不一致性。
3、参考靶 裂变室： TPC： TPC用于裂变截面测量时的优势 一般使用的参考靶为235U，其裂变截面的不确定度1% 目前已知的精度最高的反应截面为1H(n, n’)1H反应， 不确定度为0.2%； TPC的漂移气体中一般含有H原子，并且气体的均匀性 很好，可以作为很好的参考靶
研究目标 研制出具有区分裂变碎片、alpha粒子和轻带电粒子能力，可用于核裂变截面测量的TPC原型样机。 系统框图
物理设计 Pad 性状：正六边形 漂移气体：P10 体积: Φ15cm6.5cm Drift field：130V/cm 2017/9/30 物理设计 Pad 性状：正六边形 漂移气体：P10 体积: Φ15cm6.5cm Drift field：130V/cm 粒子出射角度各向同性 与裂变室相同 α射程决定 GARFIELD模拟给出 5MeV α particle 气体参数 Electron drift velocity transverse diffusion coefficient Longitudinal diffusion coefficient Adsorption coefficient 射程
pad尺寸与读出电子学参数对系统性能有重大影响需要优化 模拟结果 fission 235U粒子甄别的模拟结果 range vs energy pad尺寸与读出电子学参数对系统性能有重大影响需要优化
Pad尺寸 pad=1mm pad=2mm 裂变碎片 pad=3mm pad=4mm 不同pad尺寸的粒子甄别效果
定义重叠率：与裂变碎片重叠的α粒子数占总的α粒子数的比例 2017/9/30 定义重叠率：与裂变碎片重叠的α粒子数占总的α粒子数的比例 overlap ratio /% The smaller the pad size is, the smaller the overlap ratio becomes. When pad size is 1mm, the improvement of overlap rate is not significant compared with the 2mm. Considering the number of readout channels, the pad size is selected as 2mm. Pad size/mm 重叠率与pad尺寸的关系 考虑到读出电子学的数目，pad尺寸为2mm 调节气压提高甄别效果
气压 P=0.75atm P=1.5atm 重叠率: 30.8% 重叠率: 46.9% 不同气压的甄别效果 pad size：2mm 粒子 裂变碎片 不同气压的甄别效果 pad size：2mm
Pad信号信息 波形采样 Pad最小信号 pad电流 Pad最大信号 电流峰值约为200个电子 电流持续时间为110ns time/10ns Number of electrons Pad最小信号 Pad最大信号 电流峰值约为200个电子 电流持续时间为110ns pad上电子数目约为1000 pad电流 time/10ns Number of electrons 电流峰值为90000个电子，持续时间800ns pad上电子数约为1.87*106； 波形采样
设计参数： 采样频率 40MHz 采样精度 12bit 数据率 120MBPS 前端电子学参数 探测器参数 DAQ参数 漂移气体 气体压强 通道数 64 输入电荷 2pC（max） 增益 0.5-4 mV/fC，分为8档 输出电压 0.3-1.3V 成型 CR-RC 达峰时间 50-200 ns，分为4档 噪声（） <3000 e @ 10pF* 功耗 <10mW/ch 漂移气体 p10 气体压强 0-5atm Pad 性状 正六边形 Pad 尺寸 2mm Pad数目 4608 GEM 尺寸 Φ15cm 漂移距离 65mm DAQ参数 采样频率 40MHz 采样精度 12bit 数据率 120MBPS
机械设计
读出PCB板 接插件：100pin 484mm 中心五层 GEM 分压电路 GEM 高压焊盘 16层板；top-高压-地-信号-地-信号……-地-bottom
场笼及GEM膜 场笼：三层柔性pcb板 铜条宽度：1mm；pitch：1mm 分压电阻：2MΩ GEM膜: φ=15cm的圆形
保护环 φ取152mm电场畸变最小 Maxwell电场模拟 Z方向电场分布 φ=152mm guard ring 为1mm厚PCB板 平整度好 铜厚度小，电场更均匀 R方向电场分布 guard ring 高度：4mm 高度越低，GEM边缘电场畸变越小 降低对电子的作用距离 φ取152mm电场畸变最小
配气仪 气路图 质量流量控制器： 流量：~100SCCM 精度：1% 压力控制器 : 压力范围：0-0.7MPA-A（绝压） 精度：0.5%
总结 下一步： 1、完成系统物理设计 优化了pad尺寸及电子学参数 2、完成系统机械设计 1、系统搭建及测试 2、252Cf自发裂变碎片测试 3、测量裂变截面
谢谢大家