用于高精度裂变截面测量的 时间投影室（TPC）的初步研究

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1 用于高精度裂变截面测量的 时间投影室（TPC）的初步研究
清华大学工程物理系 闫洋洋 导师：李玉兰 教授

2 内容提纲 背景介绍 TPC测量裂变截面的优势 模拟方法及结果 结论以及下一步计划

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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计数仪扫描靶不同位置处的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： TPC对低能量粒子的探测效率大约为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。

8 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

9 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。 TPC结构框图

10 模拟方法 Geant4 SRIM ROOT Garfield 探测器的定义 入射粒子的产生 粒子径迹 电子漂移扩散吸附 Pad信号的产生
尺寸 参数 SRIM 电子漂移扩散吸附 Pad信号的产生 电子学滤波 径迹重建及结果分析 ROOT 气体 参数 Garfield

11 靶核信息 对于235U，α衰变，能量4.4MeV. 裂变碎片包括重核和轻核： 重核原子序数一般为52-54，平均能量68.4MeV
轻核：99.8MeV 38Sr粒子 重核：68.4MeV 54Xe粒子 射程

12 参数设置 尺寸：150mm*60mm pad形状：六边形 气体选择：P10 漂移电场：130V/cm 1、饱和速度的电场较低
2、电子吸附系数较低 3、与裂变室的气体相同 表1、气体参数 电子漂移速度 电子横向扩散系数 电子纵向扩散系数 电子吸附系数

13 模拟结果 α粒子能量：0-5MeV均匀分布 fission能量：0-110MeV均匀分布 α粒子 fission Range/cm
Energy/MeV Range/cm α粒子 fission

14 α粒子能量：0-5MeV均匀分布 fission能量：0-5MeV均匀分布 pad=1mm pad=2mm pad=3mm pad=4mm
粒子 pad=1mm pad=2mm 裂变碎片 pad=3mm pad=4mm

15 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
重叠率/% Pad大小/mm 2019/5/12

16 Pad信号信息 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 pad上电子数目约为1000
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；

17 压强的影响 α粒子能量：0-5MeV均匀分布 fission能量：0-5MeV均匀分布 P=0.75atm P=1.5atm
粒子 P=0.75atm P=1.5atm 重叠率30.8% 重叠率46.9% 裂变碎片

18 结论： 模拟表明原理正确可行 为系统设计提供参考 下一步： 完善模拟，优化系统设计 算法研究 系统搭建 系统测试及标定 精确测量裂变截面

19 谢谢大家