10 cm×10 cm Bulk Micromegas探測器的研制

李沛玉，周 靜，陳 雷，趙明銳，智 宇，劉雯迪，賈世海，張昀昱，胡守?fù)P，于偉翔，李笑梅

(中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413)

作為一種新型的氣體探測器，Micromegas于1996年由Giomataris等[1]首先研制，Micromegas探測器是微結(jié)構(gòu)氣體探測器(micro-pattern gas detector，MPGD)一個重要的研究方向，是目前最先進(jìn)的氣體探測器之一。它具有位置分辨優(yōu)異(幾十μm量級)、時間分辨良好(幾ns級別)、性能穩(wěn)定和耐輻照性能好等特點(diǎn)，能在很高的計數(shù)率條件下工作，尤其適合用于高亮度環(huán)境，近年來在國際上得到迅速發(fā)展。與多絲正比室和漂移室相比，Micromegas探測器具有更好的計數(shù)率和抗輻照能力。

Micromegas主要由3部分組成[2]：漂移極、柵極和陽極(讀出電極)。漂移級和陽極一般使用印刷電路板制成，柵極一般使用絲網(wǎng)等高透過率的材料構(gòu)成，處于漂移極和陽極之間，將探測器分為漂移轉(zhuǎn)換區(qū)和雪崩放大區(qū)兩部分。漂移區(qū)根據(jù)需要一般設(shè)定為幾到十幾mm的高度，雪崩區(qū)一般為幾十到幾百μm不等。雪崩區(qū)的電場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于漂移區(qū)的電場強(qiáng)度，因此粒子在進(jìn)入探測器后首先在漂移區(qū)電離出少量電子和離子，隨后由于電場作用，電子和離子分別飄向柵極和陰極。電子會在穿過柵極后在雪崩放大區(qū)進(jìn)行雪崩倍增，產(chǎn)生更多的電子和離子分別飄向讀出電極和柵極的絲網(wǎng)，同時在讀出電極和柵極上產(chǎn)生脈沖信號。

根據(jù)制作方式的不同，將Micromegas分為不同的種類。最初發(fā)明使用魚線或石英作為支撐[3]的Micromegas，還有使用熱熔膠作為支撐[4]的Micromegas等。隨著印刷電路板(PCB)工藝的發(fā)展，在傳統(tǒng)的Micromegas探測器基礎(chǔ)上，新一代使用光蝕刻一體化技術(shù)制作[5]成的Bulk Micromegas、覆蓋阻性層的Micromegas[6]，以及CERN生產(chǎn)的使用聚酰亞胺覆銅膜通過蝕刻制成的Microbulk Micromegas[7]逐步發(fā)展起來。

Bulk Micromegas探測器主要利用光蝕刻技術(shù)，在構(gòu)成陽極的印刷電路板上用一種感光膜蝕刻出一些分布均勻的支柱支撐絲網(wǎng)，形成厚度為128 μm的雪崩放大區(qū)，同時在雪崩區(qū)上方約10 mm處固定漂移極。由于使用了光蝕刻一體化技術(shù)，保證了整個雪崩放大區(qū)厚度均勻一致，Bulk Micromegas具有更好的增益均勻性、優(yōu)秀的位置和能量分辨率。本文自主研發(fā)探測器制作的關(guān)鍵設(shè)備，對有效面積為10 cm×10 cm的Bulk Micromegas探測器進(jìn)行研制和測試，同時繪制X射線的二維事件分布圖。

1 Bulk Micromegas 探測器制作

Bulk工藝制作Micromegas探測器的流程為：讀出電極制作、拉伸絲網(wǎng)、覆感光膜、曝光、蝕刻、清洗和測試。每個環(huán)節(jié)都十分重要，其中對絲網(wǎng)拉伸的平整度、覆膜的均勻性以及曝光的精確度的要求較高，為此設(shè)計了專用拉網(wǎng)機(jī)和專用覆膜機(jī)。

進(jìn)行讀出電極設(shè)計時，目前采用條讀出，將面積為10 cm×10 cm的讀出區(qū)域劃分為128條，每個讀出條設(shè)計為圖1a所示的圖形，x方向和y方向上各有64個讀出條，y方向讀出條由各小區(qū)域通過過孔連接成條狀，通過計算使x方向和y方向讀出條的面積相等。當(dāng)電子打在讀出條上，x、y方向上應(yīng)各有至少1道出現(xiàn)信號，以此確定粒子位置。之后考慮到過孔對各讀出條面積的影響，又設(shè)計了圖1b所示的讀出條。在最初設(shè)計讀出電極時，由于考慮到了覆銅區(qū)域與無覆銅的綠油區(qū)域存在高低差，為保證絲網(wǎng)的平整性，設(shè)計時在讀出電極的覆銅區(qū)域外額外添加了1圈接地覆銅區(qū)域，作為絲網(wǎng)的固定區(qū)域，如圖1b所示。在讀出電極板制作完成后，經(jīng)過清洗放入潔凈間，待其他準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行探測器的制作。

a——讀出條形狀示意圖(黃色為覆銅區(qū)域，白色為FR4)；b——接地區(qū)域設(shè)計示意圖(黑色區(qū)域?yàn)榻^緣涂層)圖1 讀出電極有效區(qū)域設(shè)計示意圖Fig.1 Design schematic of readout electrode effective area

因感光膜僅需將支柱和外部支撐部分保留，因此制作探測器前需設(shè)計掩膜板控制感光膜曝光位置，并通過繪制掩膜板設(shè)計絲網(wǎng)支柱的尺寸。支柱的直徑過小可能導(dǎo)致無法將絲網(wǎng)支撐平整，加電場后絲網(wǎng)會產(chǎn)生凹陷，影響雪崩區(qū)電場，而支柱直徑過大也會導(dǎo)致探測器死區(qū)過大，影響探測器探測效率。

設(shè)計工作完成后便可開始處理將作為探測器柵極的不銹鋼絲網(wǎng)，一般使用400目的不銹鋼絲網(wǎng)，將絲網(wǎng)按照拉網(wǎng)機(jī)的尺寸剪裁好，并將其固定在與讀出電極同樣尺寸的鋼框上，鋼框厚度需設(shè)計為小于讀出電極厚度，才能保證后續(xù)覆膜時更成功。采用合適的拉力將不銹鋼絲網(wǎng)拉直，使用的拉力過小后可能會導(dǎo)致絲網(wǎng)不夠平整，制作成探測器后電場均勻性不佳而影響探測器性能，也可能導(dǎo)致有些部位的絲網(wǎng)與讀出電極接觸太近以致頻繁打火。拉力穩(wěn)定后便可使用膠水將絲網(wǎng)固定在鋼框上，如圖2所示，并且盡量涂抹平整，減少膠水中的氣泡。靜置一段時間至絲網(wǎng)固定穩(wěn)定即可拆下，清洗后放入潔凈間備用。

圖2 拉伸不銹鋼絲網(wǎng)Fig.2 Stretched stainless steel wire mesh

全部準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)入潔凈間，將感光膜固定在覆膜機(jī)上，開始對讀出電極進(jìn)行覆膜。在對讀出電極進(jìn)行覆膜時需注意將讀出電極水平放置，緩慢勻速通過滾筒，同時要保證感光膜的平整度，防止感光膜進(jìn)入滾筒時出現(xiàn)褶皺。讀出電極區(qū)域的感光膜出現(xiàn)褶皺會導(dǎo)致絲網(wǎng)覆蓋不平，影響探測器雪崩區(qū)的電場均勻性。在讀出電極上覆蓋兩層感光膜后將絲網(wǎng)貼在其上，并覆蓋最后1層感光膜對絲網(wǎng)進(jìn)行固定。

之后對覆蓋好感光膜和絲網(wǎng)的讀出電極進(jìn)行曝光，曝光時間過短會造成曝光不充分，而曝光時間過長又會導(dǎo)致光刻膠內(nèi)更大的分散，造成光刻膠下表面和上表面直徑不再相同，精確的圖像轉(zhuǎn)移失敗。因此精確掌握曝光時間是保證圖像轉(zhuǎn)移準(zhǔn)確性的一個重要因素。通過蝕刻洗掉多余的感光膜，留下支撐絲網(wǎng)的支柱。確保多余的感光膜和絲網(wǎng)去除干凈后，首先使用皮安表對絲網(wǎng)和讀出電極間的總電阻進(jìn)行測試，該測試也能避免絲網(wǎng)和讀出電極或地線之間短路造成探測器漏電流過大影響探測器性能。測試中也發(fā)現(xiàn)感光膜清洗不干凈也是導(dǎo)致電阻率降低的因素，因此在阻值降低時使用顯影液清洗后還需進(jìn)一步清潔，同時如果去除絲網(wǎng)時殘留了過多的毛刺也可能會導(dǎo)致絲網(wǎng)上產(chǎn)生尖端放電，影響探測器電阻。測試一般在空氣中進(jìn)行，使用800 V高壓進(jìn)行，電阻達(dá)到500 GΩ以上即為制作成功，可進(jìn)行探測器的漂移極安裝和進(jìn)一步測試。

2 Bulk Micromegas測試

2.1 測試系統(tǒng)

圖3 讀出電子學(xué)系統(tǒng)Fig.3 Readout electronics system

為保證氣室的密閉性，測試時將APV25前端卡與探測器間使用柔性連接，并將二者一起放入探測器氣室(圖3)內(nèi)，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)APV25前端卡不會對探測器噪聲造成影響。APV25前端卡通過HDMI線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮訉W(xué)后端板。氣室設(shè)計為可同時放入3個探測器，也可作為后續(xù)μ子成像系統(tǒng)所使用的氣室。

測試用的工作氣體主要使用由10%的CO2和Ar氣組成的混合氣體，使用的氣體氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，氣室為流氣室。高壓由CAEN公司的N1470插件提供，再使用ORTEC公司的142A前置電荷靈敏放大器作為濾波同時獲取絲網(wǎng)信號，并通過ORTEC公司的572放大器和CF8000甄別器及CAEN公司的NIM-TTL-NIM插件得到讀出電子學(xué)所需的觸發(fā)信號，讀出電子學(xué)系統(tǒng)[8]由APV25前端卡和課題組自主開發(fā)的后端板APVDs構(gòu)成，如圖3所示。該讀出電子學(xué)使用APV25模擬前放成形芯片從讀出電極上采集脈沖信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后通過可編程邏輯陣列FPGA和高速傳輸網(wǎng)線，將探測器讀出電極上的信號傳輸給計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。讀出電子學(xué)系統(tǒng)的1塊后端板最多可連接4塊APV25前端卡，可同時獲得512路信號，測試中使用了10 cm×10 cm的Bulk Micromegas探測器，該探測器有128通道，所以實(shí)驗(yàn)中使用了1塊APV25前端卡對探測器進(jìn)行測試。

2.2 探測器測試

制作完Bulk Micromegas探測器后，首先使用電容批量測試板對探測器的每個讀出條進(jìn)行電容測試，測試結(jié)果如圖4所示，顯示探測器各通道電容具有較好的均勻性。電容的少許差異是由電路板上走線的長短差異導(dǎo)致的，而探測器的電容對系統(tǒng)的噪聲有一定影響[9]。在未來制作更大面積的探測器時還需考慮這個問題，盡量減少各通道之間的電容差異。

電容測試后，使用55Fe射線源(特征X射線能量5.9 keV)對探測器進(jìn)行測試，測試時將探測器放入屏蔽盒中，在探測器上方6 cm處固定了漂移極，并將放射源固定在漂移極下方，使用的漂移電壓和雪崩電壓分別為1 500 V和430 V。從圖5所示信號圖可看見明顯的X射線信號，此時該放射源在探測器上的二維事件分布圖也能清楚看見放射源的位置。在二維事件分布圖中存在1個計數(shù)率較高的點(diǎn)(紅色)，該點(diǎn)是由于探測器微打火造成的計數(shù)率較高，在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時可選擇斷開該通道以提高探測器效率。

圖4 探測器電容Fig.4 Detector capacitance

a——X射線信號波形圖(橫軸為30個采樣點(diǎn)，不同線條代表不同道數(shù))；b——X射線二維事件分布圖(紅色點(diǎn)位置為打火點(diǎn))圖5 信號圖Fig.5 Signal diagram

3 總結(jié)和展望

目前Bulk Micromegas已成為國際氣體探測器研究的熱點(diǎn)，不僅廣泛應(yīng)用于高能粒子與核探測領(lǐng)域，還有多方面的應(yīng)用前景，如位置靈敏 X 射線探測器、中子照相、宇宙射線成像、醫(yī)學(xué)生物學(xué)成像以及天體物理實(shí)驗(yàn)探測器等，是大科學(xué)實(shí)驗(yàn)中時間投影室讀出探測器的最佳選擇之一。Bulk Micromegas可制作成大面積的探測器，其讀出結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有很大的靈活性，從而可設(shè)計出大面積和形狀各異的射線成像系統(tǒng)。目前制作的有效面積為10 cm×10 cm Bulk Micromegas的探測器技術(shù)已成熟，利用研制的專用拉網(wǎng)機(jī)和專用覆膜機(jī)，從讀出電極制作、拉伸絲網(wǎng)、覆感光膜、曝光，到蝕刻、清洗和測試，實(shí)現(xiàn)全部工藝國產(chǎn)化。成品率幾乎能達(dá)到100%，并可進(jìn)行批量生產(chǎn)。

下一步將對有效面積為10 cm×10 cm的Bulk Micromegas探測器進(jìn)行進(jìn)一步測試的同時，制作和測試有效面積更大的探測器。并計劃研制帶有阻性層或有雙層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的Bulk Micromegas探測器，在保證探測器電場均勻性的情況下，提高探測器的增益。