基于國產(chǎn)厚型氣體電子倍增器的低能電子二維位置探測器

顏嘉慶　謝宇廣　胡 濤　呂軍光　周 莉

1（核工業(yè)二九〇研究所　韶關 512026）2（核探測與核電子學國家重點實驗室　北京 100049）3（中國科學院高能物理研究所　北京 100049）

基于國產(chǎn)厚型氣體電子倍增器的低能電子二維位置探測器

顏嘉慶1,2謝宇廣2,3胡 濤2,3呂軍光2,3周 莉2,3

1（核工業(yè)二九〇研究所韶關 512026）
2（核探測與核電子學國家重點實驗室北京 100049）
3（中國科學院高能物理研究所北京 100049）

為探測0.1-50MeV低能電子脈沖束流的位置分布，研制基于國產(chǎn)厚型氣體電子倍增器（Thick Gaseous Electron Multiplier, THGEM）的二維位置探測器，位置分辨要求好于200μm，靈敏面積為50mm×50mm。THGEM的孔徑為150μm、孔間距400μm、厚度100μm。用Geant4模擬了薄膜窗厚度、空氣層厚度等對電子透過率和橫向擴散的影響。根據(jù)模擬結果，優(yōu)化了探測器的結構和設計。并用能量為5.9keV的X射線源55Fe測試不同工作氣體的增益，單層最大增益好于1×104，雙層最大增益好于6×104，能量分辨率好于23%。

厚型氣體電子倍增器，低能電子，二維位置，Geant4

厚型氣體電子倍增器（Thick Gaseous Electron Multiplier, THGEM）［1-3］是在傳統(tǒng)氣體電子倍增器（Gaseous Electron Multiplier, GEM）基礎上發(fā)展起來的一種新型微結構氣體探測器（Micro-Pattern Gaseous Detector, MPGD）。THGEM具有高增益、高計數(shù)率、成本低、結實耐用、不易打火、亞毫米的位置分辨等特點，在粒子物理實驗和同步輻射成像等領域有廣闊的應用前景［4-5］，如探測切倫科夫輻射光環(huán)、帶電粒子徑跡、中子等，以及同步輻射中的X射線成像和數(shù)字強子量能器等的應用［6-7］。

THGEM作為一種新型的微結構氣體探測器，國內(nèi)外對其制作工藝、性能等做了廣泛的研究，并拓展其實際應用。而國內(nèi)近幾年來在THGEM的制作工藝和性能研究方面取得了較好的進展，能夠制作出性能可靠、增益穩(wěn)定的THGEM，并實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)［8-10］。

本文基于國產(chǎn)THGEM，研制針對低能電子的二維位置分布探測器，位置分辨要求好于200μm。為此，自主研發(fā)了新的高位置分辨的THGEM，孔徑為150μm、孔間距400μm、厚度100μm，其本征位置分辨可達到，如圖1所示。對這種THGEM的增益、分辨率和長期穩(wěn)定性等性能進行了測試，同時通過模擬對二維位置探測器進行了設計優(yōu)化，以得到較好的探測效率和位置分辨率，包括：用Geant4模擬了薄膜窗厚度、材質(zhì)等對電子透過率和橫向擴散的影響。

圖1　高位置分辨THGEM微孔結構Fig.1　Microspore structure of high resolution THGEM.

1　二維位置探測器結構

二維位置探測器的結構包括陰極、陽極、兩層THGEM和讀出板等，如圖2所示。此粒子分布探測器要求達到對低能電子（0.1-50MeV）位置分辨≤200μm，靈敏面積達到50mm×50mm。探測器將采用兩層THGEM結構，以實現(xiàn)＞104以上的增益并長期穩(wěn)定工作。為避免邊緣效應，實際靈敏范圍將比指標略大，為60mm×60mm。

圖2　二維位置探測器結構系統(tǒng)組成與原理圖Fig.2　Schematic diagram and system constitute of 2D position detection.

電子通過薄膜窗入射后進入漂移區(qū)產(chǎn)生電離，電離電子經(jīng)多級雪崩倍增放大后由感應讀出平面收集。讀出平面為x和y向各120道條讀出，每個正方形的小pad邊長為0.4mm，間隙為0.1mm，周期pitch為0.5mm，共240路電子學，全部測量電荷Q，通過重心法空間分辨螺距（pitch）≤200μm。電子學基本方案是通過國內(nèi)自主研發(fā)的約16個16道/片的ASIC芯片將信號讀出，然后傳送到后端進行數(shù)字化并通過現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）進行判選和組裝事例，最后由VME總線進行數(shù)據(jù)獲取。感應條從收集板4個方向（各60路）引出，直接進入基于CASAGEM ASIC的前放板完成放大和成形。經(jīng)前放處理的信號通過2-3m長的柔性板或數(shù)據(jù)排線傳輸?shù)胶蠖穗娮訉W。這樣的設計能夠滿足探測器和前端電子學安裝在真空罐內(nèi)，而后端電子學和機柜在真空罐外的要求。數(shù)據(jù)最后將通過25m的光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集（Data Acquisition, DAQ）主機，DAQ軟件完成數(shù)據(jù)的獲取、存儲，同時對事例進行徑跡重建和顯示，以及形成二級觸發(fā)。

2　Geant4模擬

為了使低能電子盡可能少受到影響，要求此二維位置探測器透射密封窗采用有機薄膜材料。窗材料一般采用Mylar薄膜，Mylar（邁拉）膜是一種堅韌的聚酯類高分子物，聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate, PET），化學簡式為C10H8O4，密度1.4g·cm-3，具有良好的耐熱性、表面平整性、透明度和機械柔韌性的特點。但窗的厚度會對入射粒子的透射率和橫向擴散半徑產(chǎn)生影響。因此通過Geant4模擬，來研究窗厚度對電子透過率和橫向擴散的影響。模擬中的工作氣體為Ar+iC4H10=97:3，工作氣壓為0.1013MPa。窗與漂移極之間為5mm的空氣。電子能量范圍在0.1-50MeV內(nèi)設置合適的能量點，窗的厚度分別比較了10 μm、30 μm、50 μm、80 μm和100μm。電子的透射率和橫向擴散半徑的變化如圖3所示。從圖3（a）可以看出，在透射窗厚度相同時，隨著電子能量的增加，透射率不斷地增加，最后達到100%。在同一能量條件下，對能量低于5MeV段，透射率隨著窗的厚度增加而不斷減少。對能量為0.1MeV的電子，窗厚度為100μm時電子的透射率為0，而窗厚度為10μm時電子的透射率達到80%以上，可見透射窗的厚度對低能電子的吸收是十分明顯的；當電子能量大于5MeV時，不同窗厚度下的透射率都幾乎接近100%。從圖3（b）可以看出，在同一透射窗厚度時，隨著電子能量的增加，橫向擴散半徑不斷地減小，最后趨向于0。在同一能量條件下，當電子能量低于25MeV時，隨著窗的厚度增加，橫向擴散半徑不斷增加，在電子能量為0.1MeV時，窗厚度為100μm，電子的橫向擴散半徑為0，說明沒有電子透射過來；當電子能量達到25MeV及以上時，電子的橫向擴散半徑都小于0.2mm。綜合透過率、橫向擴散、機械性能的考慮，將優(yōu)先采用50μm的薄膜窗厚度。

圖3　透射窗的厚度對電子的透射率（a）和橫向擴散半徑（b）的影響Fig.3　The effect of thickness of transmission window on the electronic transmission ratio （a） and spread radius （b）.

透射窗與漂移極上表面之間的氣體厚度也會使入射電子的透射率與橫向擴散半徑受到影響。因此，對比氣體厚度在0-10mm范圍內(nèi)對電子的透射率和橫向擴散半徑的影響，如圖4所示。

圖4　空氣層厚度對電子的透射率（a）和橫向擴散半徑（b）的影響Fig.4　The effect of thickness of atmosphere layer on the electronic transmission ratio （a） and spread radius （b）.

從圖4（a）可以看出，對不同的氣體厚度，透射率均隨著電子能量而增加，最后達到100%。當電子能量大于1MeV時，10mm以內(nèi)的不同氣體厚度對電子的影響已經(jīng)很少，基本可以忽略。在電子能量低于1MeV時，同一能量而言 ，透射率隨著氣體厚度的增加而減少，0mm比10mm氣體厚度透射率增加10%-20%。對0.1MeV的電子，透射率最高也不過在20%左右，而對0.2MeV的電子，透射率迅速提高到60%-80%。可見氣體厚度僅對0.2MeV以內(nèi)的電子有明顯影響。由圖4（b）可以看出，氣體厚度與薄膜窗厚度對電子橫向擴散的影響有所不同。對不同的氣體厚度，橫向擴散半徑在0.2MeV時均出現(xiàn)最大值，能量大于0.2MeV時，橫向擴散半徑隨著電子能量的增加而不斷減小，最后趨向于0。在0.1MeV能量點，橫向擴散反而比0.2MeV能量點低20%-50%。對同一能量而言，橫向擴散均隨著氣體厚度的增加。對能量小于2MeV的電子，橫向擴散的影響比較明顯，特別是0.2MeV時，氣體厚度10mm將導致11mm的橫向擴散，即使3mm氣體，也將導致5mm的擴散。當電子能量達到25MeV及以上時，電子的橫向擴散可以忽略。

氣體厚度影響橫向擴散，繼而影響探測效率。因此需要在兩者之間找到平衡點。顯然3-5mm的氣體厚度是比較合理的選擇?？紤]到低氣壓工作，因此5mm的氣體厚度相對更好。

圖5是能量為0.5MeV的入射電子，穿過50μm窗和5mm厚的氣體達到漂移極表面的橫向擴散半徑分布，可見是朗道分布。

圖5　0.5MeV的入射電子，經(jīng)過窗和空氣層達到漂移極下表面入射電子橫向散射半徑分布Fig.5　Spread radius distribution of 0.5-MeV electron crossing window and atmosphere layer.

陰影部分的面積表示入射電子橫向擴散半徑小于等于 Rmean的電子個數(shù)占總電子數(shù)的比例，約為75.35%。因此，此處用Rmean而不是Rmax來表征3/4以上電子橫向擴散的影響。

3　THGEM的性能

3.1測試方法

在常溫、常壓和氣體流速為10mL·min-1的模式下，利用55Fe的X射線源（活度是3.7×105Bq）對THGEM性能進行測試。比較了不同氣體下的增益、能量分辨和增益穩(wěn)定性。X射線經(jīng)過準直器準直（孔徑?2mm）進入到探測器，當在漂移電極、感應電極和THGEM上下表面施加合適的高壓時，由X射線產(chǎn)生的原初電離電子將在漂移電場的作用下進入THGEM的微孔，THGEM微孔內(nèi)的強電場使電子發(fā)生雪崩倍增放大，雪崩電子將在感應電極感應出信號，并在收集電場的作用下最后被感應電極收集。高壓為CAEN Mod.N470高壓電源，各路獨立供壓。從感應極讀出的信號，先經(jīng)過電荷靈敏前置放大器（Ortec 142AH），然后經(jīng)過主放大器（Ortec 450）進行放大成形，最后送入多道分析器（8192道），并由計算機軟件記錄譜形。

測試主要比較了Ar+iC4H10=97:3和Ar+CO2=90:10兩種工作氣體。通常，氣體厚度是5mm，漂移區(qū)場強Ed=1kV·cm-1，層與層間隙2mm，傳輸區(qū)場強Et=1kV·cm-1，感應間隙2mm，感應區(qū)場強Ei=4kV·cm-1。THGEM電壓VTHGEM根據(jù)氣體和THGEM的厚度等而有不同，一般都有100V左右的工作區(qū)間。增益測試時，加壓步長為10V或20V電壓。

3.2增益

增益是反映MPGD性能最重要的指標。通過增益曲線可以給出探測器的工作區(qū)間和增益范圍，是設置工作點和設計后端讀出電子學的重要依據(jù)。利用標準的精密電容（2.36pC·V-1）對整個前放加主放系統(tǒng)進行了刻度，得到輸入電荷數(shù)（或電荷量）與多道峰位的關系，即：

式中：a和b為擬合得到的參數(shù)。最后得：

式中：n0為5.9keV的X射線在工作氣體中的原初電子數(shù)（或者電離對），此值按標準公式進行計算。

圖6是在Ar+iC4H10=97:3和Ar+CO2= 90:10兩種工作氣體中測得的單層和雙層高位置分辨THGEM的增益曲線?？梢钥闯觯@種THGEM的增益單層最高達到1×104，雙層最大增益好于6×104，增益線性比較好，而且工作電壓區(qū)間也高于100V。增益曲線在兩種氣體中的差異主要是Ar+CO2氣體的工作電壓要高250-300V，且最高增益略低一點。另一方面，由于工作電壓較高，在此氣體中的打火率也略高。

圖6　THGEM在不同工作氣體下的增益Fig.6　The gain of THGEM in different gases.

3.3能量分辨率

能量分辨是反映探測器對能量沉積響應性能的重要參數(shù)之一。通常氣體探測器利用X射線在氬基工作氣體中的能譜來測量。因5.9keV55Fe的X射線能夠在氬基工作氣體中激發(fā)全能峰和逃逸峰，且兩峰位恰好相差一倍，因此是測量氣體探測器能量分辨的理想手段。我們在Ar+iC4H10=97:3工作氣體中，測試了雙層THGEM的能量分辨率，用雙層測試更能夠直接反映二維位置探測器雙層THGEM本身的能量分辨。圖7為測得的55Fe的能譜圖，簡單處理時，用單高斯對全能峰進行擬合得到方差，而能量分辨率定義為全能峰半高寬（Full width at half maximum, FWHM）與峰位能量的比值，通過公式FWHM=2.35σ得到半高寬。測得的能量分辨約23%，為氣體探測器能量分辨的正常水平。

圖7　雙層THGEM在Ar/iC4H10工作氣體中的能量分辨Fig.7　Energy resolution of double layer THGEM in Ar/iC4H10gas.

3.4穩(wěn)定性

THGEM的穩(wěn)定性是其實際應用的一個關鍵問題。許多因素都會影響到THGEM的穩(wěn)定性，例如THGEM的基材、絕緣環(huán)的大小、覆銅表面的質(zhì)量等［3］。通常，尺寸小的絕緣環(huán)和光滑的覆銅表面會有較好的長期穩(wěn)定性。此高位置分辨THGEM采用我們自主研發(fā)的成熟制作工藝，原則上穩(wěn)定性不會有問題。但是結構參數(shù)有明顯減小，孔徑150μm，孔間距400μm，厚度100μm，絕緣環(huán)75μm，因此還需要對其穩(wěn)定性進行實際測試。為與最終應用于二維位置探測器的實際情況盡量相同，我們采用Ar+CO2=90:10工作氣體，對雙層THGEM進行連續(xù)100h的增益穩(wěn)定性測試。測試過程中每隔10min取一個55Fe的能譜圖，擬合全能峰得到增益，結果如圖8所示。從圖8看到，剛開始時，增益從1.1×104緩慢上升，在25h后，增益基本維持在1.5×104左右，測試結束時，增益基本保持在了1.4×104。如果以25h之后的變化來看，則增益的變化在2000/15000=13.4%的水平。更長期的增益穩(wěn)定性還需要實際的應用來檢驗。

圖8　雙層THGEM在Ar+CO2工作氣體中的穩(wěn)定性Fig.8　The stability of double layer THGEM in Ar+CO2gas.

4　結語

基于國產(chǎn)的孔徑150μm、孔間距400μm、厚度100μm的高位置分辨THGEM，將能夠?qū)崿F(xiàn)位置分辨小于等于200μm的低能電子位置分布的探測。利用Geant4模擬了二維位置探測器的透射窗和空氣層對入射電子的影響。透射窗的厚度對電子的透射率影響較大，氣體厚度對低能電子的橫向擴散半徑影響明顯。

50μm的薄膜窗厚度和5mm的氣體厚度將比較合理。THGEM本身在Ar+iC4H10=97:3和Ar+CO2=90:10中表現(xiàn)出良好的增益、增益穩(wěn)定性和能量分辨。單層增益達到1×104，雙層好于6×104；雙層增益在1.5×104水平可長期穩(wěn)定工作。下一步將利用ASIC電子學對探測器的空間分辨進行實際測試。

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THGEM-based two dimension position detector for low energy electron

YAN Jiaqing1,2XIE Yuguang2,3HU Tao2,3LYU Junguang2,3ZHOU Li2,3

1（Research Institute No.290 China National Nuclear Corporation, Shaoguan 512026, China）
2（State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049, China）
3（Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

Background: The thick gaseous electron multiplier （THGEM） is homemade with the hole diameter of 150μm, pitch of 400μm, and thickness of 100 μm. Purpose: A THGEM-based 2D position detector is developed for low energy electron detection. Methods: The influences of film’s thickness, air-layer’s thickness, etc., on the electron transfer efficiency and transverse diffusion were simulated by Geant4 and using the 5.9-keV X-rays, and the gas gain, energy resolution were measured in different gas mixtures. Results: According to the simulation results, the design and structure of the detector were optimized and the maximum gas gain of single and double layer THGEMs reached 1×104and 6×104, respectively, and the energy resolution was higher than 23% for both single- and double-layer THGEMs. Conclusion: The spatial resolution is required less than 200 μm in 50mm×50mm sensitive area.

THGEM, Low energy electron, 2D position, Geant4

YAN Jiaqing, male, born in 1989, graduated from Institute of Nuclear Science and Technology of University of South China with a master’s

TL82

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.090402

——

國家自然科學基金（No.11205173）、核探測與核電子學國家重點實驗室（No.H9294206T）資助

顏嘉慶，男，1989年出生，2015年于南華大學核科學技術學院獲碩士學位

Supported by National Natural Science Foundation of China （No.11205173）, State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics （No.H9294206T）

degree in 2015

2016-04-01，

2016-06-21