α粒子与裂变碎片的甄别-Indico.PPTVIP

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。 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 裂变室结构框图 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 * 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 ?粒子 裂变碎片 裂变室能谱示意图 裂变碎片 ?粒子 能量与射程关系图 1、α粒子与裂变碎片的甄别 * * TPC用于裂变截面测量时的优势 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。 TPC用于裂变截面测量时的优势 3、参考靶 裂变室： 一般使用的参考靶为235U，其裂变截面的不确定度1% TPC： 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: Φ15cm?6.5cm Drift field：130V/cm 与裂变室相同 气体参数 5MeV α particle 射程 * 粒子出射角度各向同性 α射程决定 GARFIELD模拟给出 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 ? 裂变碎片 pad=1mm pad=2mm pad=3mm pad=4mm * 不同pad尺寸的粒子甄别效果 Pad尺寸 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 Pad size/mm * 考虑到读出电子学的数目，pad尺寸为2mm 重叠率与pad尺寸的关系 调节气压提高甄别效果 气压 ?粒子 裂变碎片 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 Pad信号信息 Pad最小信号 Pad最大信号 pad电流 time/10ns pad电流 time/10ns 电流峰值为90000个电子，持续时间800ns pad上电子数约为1.87*106； 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 * 波形采样 设计参数： 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 采样频率 40MHz 采样精度 12bit 数据率 120MBPS 前端电子学参数 DAQ参数 * 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 探测器参数 机械设计 * 读出PCB板 * 484mm 16层板；top-高压-地-信号-地-信号……-地-bottom GEM 分压电路 GEM 高压焊盘 接插件：100pin 中心五层 场笼及GEM膜 * GEM膜: φ=15cm的圆形 场笼：三层柔性pcb板 铜条宽度：1mm；pitch：1mm 分压电阻：2MΩ 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 guard ring 为1mm厚PCB板 平整度好 铜厚度小，电场更均匀 保护环 φ=152mm Maxwell电场模拟 Z方向电场分布 R方向电场分布 φ取152mm电场畸变最小 配气仪 * 质量流量控制器：