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中国原子能科学研究院硕士学位论文分类号 密级 UDC 学 位 论 文238U裂变中子能谱的乳胶测量实验与多层快裂变室模拟和设计吉星曌指导教师姓名 黎光武 研究员 中国原子能科学研究院 核数据国家重点实验室 申请学位级别 硕士 专业名称 粒子物理与原子核物理 论文提交日期 2014年4月 论文答辩日期 2014年5月 学位授予单位和日期 中国原子能科学研究院 2014年7月 答辩委员会主席 唐国庆 评阅人 孙汉城 韩洪银 8摘 要本文包括238U裂变中子能谱的乳胶测量实验数据处理方法以及235U快多层裂变室模拟设计两部分内容。第一部分为238U裂变中子能谱的乳胶测量实验数据处理方法。裂变瞬发中子能谱的测量对于核物理研究具有着重要的意义。原子核乳胶作为一种探测带电粒子的探测器，在测量裂变中子能谱高能段部分中具有自己独到的优势。本文介绍了裂变中子能谱测量的历史，给出了国际上常用的相关数据，并详述了乳胶测量中子能谱的基本原理。在实际实验测量过程，实验采用的核乳胶为国产核-4乳胶，裂变样品为238U。实验中的中子源采用核数据测量部国家级重点实验室的600KV高压倍加器发生D（d，n）23He反应产生2.5MeV的单能中子，通过诱发238U靶裂变产生瞬发中子。瞬发中子与核乳胶中的质子发生弹性散射，产生反冲质子径迹。通过对乳胶的显影定影处理并用显微镜进行观察，显微镜测量参数包括径迹在水平面的投影长度、径迹深度、散射角度等；在实验数据的处理和修正部分，介绍了回推中子能谱的方法，并对引起能谱变化的几个主要方面（如裂变中子在样品内的反应，乳胶n-p散射截面修正，质子穿出几率修正，统计误差和不同能量间隔内径迹混淆的误差）都进行了模拟计算和修正。实验数据处理结果表明，乳胶方法能够有效测量到裂变中子瞬发谱高能段数据，修正处理得当。第二部分工作是设计模拟235U多层快裂变室，快裂变室是一种电流脉冲电离室，其优点是能提供很好的定时信号以及在强本底下探测裂变信号。电离室以其高灵敏度、稳定性、可靠性以及承受震动高温或其他恶劣环境条件的能力，正日益受到各方面的重视。在飞行时间法测量瞬发中子能谱实验中，多层快裂变室起到了产生裂变中子和提供裂变中子飞行起始信号的作用。在调研阶段，裂变室以及镀层制备厚度检测的文献，为后期开展实验部分打下了理论基础，在程序模拟阶段，本文使用mcnpx， Maxwell， garfield等软件进行了镀层厚度选择，极板间电场模拟和裂变室不同参数组合的模拟设计，得到了最优化的快裂变室的设计参数组合，经由142B型前置放大器，理论上输出信号上升时间可以控制在10ns左右，预期可以满足实验要求。并针对可能存在的信号堆积问题，拟采用多路输出电路的方法来解决此问题，为后期实验部分的工作提供了思路和参考。关键词 ：核乳胶；瞬发中子谱；误差修正；数据处理；快裂变室；Garfield ；MCNPX；Maxwellprompt neutron spectrum of 238U with nuclear emulsion techniques and the simulation and design of a fast multilayer fission chamber.ABSTRACTThis thesis includes two parts of my research work, the first part is the data processing method of prompt neutron spectrum of 238U with nuclear emulsion techniques, the second part is the simulation and design of a fast multilayer fission chamber.Fission prompt neutron spectrum plays a pivotal role for nuclear physics research. As a commonly used charged particle detector, nuclear emulsion has its inherent advantage when detecting neutron in high energy. The history of fission prompt neutron spectrum, several data used widely in world and the method of prompt neutron spectrum of 238U with nuclear emulsion techniques will be discussed in this paper. In order to obtain the prompt fission neutron spectrum of 238U, 2.5MeV neutron is produced by the high voltage multiplier in CIAE and nuclear emulsion is utilized to record the proton-recoil movement track. According to developing and fixing nuclear emulsion, the length, angle and the depth of the recoil proton could be measured through microscope. We could calculate the incident neutron energy according to the range of the recoil protons. After the data processing of prompt neutron spectrum of 238U with nuclear emulsion techniques ( ), we got the final results. The results of the processing of experiment data illustrate nuclear emulsion could measure neutron spectrum in high energy range efficiently on basis of certain statistics. Fast fission chamber which works in pulse mode came with the development of fast current amplifier. It offers good timing and can work in strong background making it an important nuclear detector. The function of this fast fission chamber is giving the start signal in the experiment of prompt neutron spectrum of 235U with TOF method.After finishing the initial research and investigation, it provides a theoretical base for the coming experiment. I simulate the design by using the program of MCNPX Maxwell and Garfield, According to the result of simulation, the paper provides standards of choosing parameters of fast multilayer fission chamber. By using multi-output method of fission chamber, we can greatly reduce the response time and mitigate alpha signal pile-up which is a serious problem when much fissionable material with high-count alpha decay is used. According to the final design of fission chamber, the rise time of signal could be around 10ns in theory, which meet the requirement and provide a reference for the coming experiment.Key words: nuclear emulsion；neutron spectrum；data processing ；experimental data processing；fast fission chamber；Garfield ；MCNPX；Maxwell目录摘 要IABSTRACTIII第一部分238U中子能谱的乳胶测量实验数据处理1第一章 引言21.1 裂变反应21.2 裂变瞬发中子能谱的测量31.3 原子核乳胶61.3.1 核乳胶简介61.3.2 原子核乳胶的应用领域81.3.3 原子核乳胶的主要成分8第二章 核乳胶测量裂变中子能谱的原理10第三章 核乳胶测量裂变中子能谱实验113.1 实验安排113.1.1 实验条件113.1.2屏蔽体123.1.3 乳胶实验照射时间153.2 乳胶的显影与定影163.2.1 显影过程163.2.2 定影过程163.3 反冲质子径迹测量参数183.3.1 径迹长度183.3.2 径迹入射角度183.3.3 径迹下潜深度183.3.4 收缩因子19第四章 中子能谱数据处理与分析204.1 质子能量数据处理204.2中子能量数据处理214.3 裂变中子能谱的回推234.3.1 裂变中子能谱与乳胶内能谱的关系与修正项234.3.2 样品厚度对裂变中子能谱的影响244.4 数据处理与相关修正244.4.1 MCNP简介244.4.2 样品厚度引起的能谱谱形畸变的修正254.4.3 MCNP程序进行模拟计算，274.4.4 乳胶内n-p散射截面引起的误差294.4.5 本底304.4.6质子径迹停留几率对中子能谱影响的修正304.4.7 中子通量衰减系数修正314.4.8 径迹数目统计误差334.4.9 不同能量间隔内的径迹混淆引起的数目误差E334.5.10C反冲核径迹误判354.6最终修正结果35第二部分 多层快裂变室模拟和设计37第一章引言381.1 飞行时间法381.2电离室简介39第二章电离室的工作原理402.1 脉冲电离室402.2 电子和离子的运动规律30422.2.1气体的电离与激发422.2.2电子和粒子的漂移与扩散432.2.2.1 离子的漂移432.2.2.2电子的漂移452.2.2.3电子和离子的扩散472.2.3负离子的形成和离子的复合482.3离子的收集和电压电流曲线48第三章 多层快裂变室533.1快时间响应533.2 MCNPX程序模拟裂变