四種基材國產(chǎn)厚型氣體電子倍增器的模擬與性能研究

顏嘉慶, 謝宇廣, 鄧善橋, 鄭智陽

(1.核工業(yè)二九○研究所， 韶關(guān) 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)

1 引 言

厚型氣體電子倍增器(Thick Gaseous Electron Multiplier, THGEM)是通過在傳統(tǒng)氣體電子倍增器(Gaseous Electron Multiplier, GEM)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型微結(jié)構(gòu)氣體探測器(Micro-Pattern Gaseous Detector, MPGD)[1-2]. THGEM是由印制線路板(PCB)工廠通過在FR4(環(huán)氧樹脂)或其他絕緣材料板(如Kapton(聚酰亞胺)、PTFE(聚四氟乙烯)和陶瓷(Ceramic)等)進行鉆孔和蝕刻生產(chǎn)出來的[3-5]. 且具有制作簡單、增益較高、能量分辨率好、價格低廉、抗打火性能極好且易于大面積制作等特點，在同步輻射成像和粒子物理實驗等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，如探測切倫科夫輻射光環(huán)、帶電粒子徑跡、中子等[6-9].

中子通常被用來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學信息.近年來，許多機構(gòu)致力于推動下一代中子設(shè)施的發(fā)展，包括美國的SNS、日本的J-PARC、英國的ISIS、中國的CSNS(中國散裂中子源)和歐洲的ESS[10]. 中子探測器是中子散射裝置的關(guān)鍵部件之一. 隨著新一代中子源的國際發(fā)展，基于He-3的傳統(tǒng)中子探測器已經(jīng)不能很好地滿足高通量應(yīng)用的需求， 同時也面臨著全球He-3供應(yīng)危機.研究新型中子探測器取代基于He-3的中子探測器技術(shù)已迫在眉睫. 本文基于國內(nèi)PCB廠研制出的FR4-THGEM、PTFE-THGEM、Kapton-THGEM和陶瓷-THGEM，研究哪種基材的THGEM更適合探測中子，也為今后設(shè)計基于THGEM的中子探測器提供參考.

2 四種基材THGEM 的介紹

本文所用的國產(chǎn)陶瓷、PTFE、FR4和Kapton基材THGEM都具有相同的幾何參數(shù)(孔徑200 μm，孔間距600 μm，厚度200 μm，絕緣環(huán)寬度75 μm，靈敏面積50 mm×50 mm)，如圖1所示. 但四種基材的顏色卻不相同，樣品如圖2所示. 陶瓷-THGEM的基材顏色為白色，PTFE-THGEM的基材顏色為紫黑色，Kapton-THGEM的基材顏色為橙色，F(xiàn)R4-THGEM的基材顏色為綠色.

圖1 國產(chǎn)THGEM微孔結(jié)構(gòu)

陶瓷-THGEM

陶瓷基材通常具有低中子散射、低放氣性和低內(nèi)部放射性[5]的特點. 這些特點有利于它作單光子和中子探測，例如，氣體光電倍增器(GPMs)和熱中子束監(jiān)視器. PTFE基材因其在各種環(huán)境中的穩(wěn)定性而聞名[4]，這種基材幾乎沒有放射性，可以在低溫條件下正常工作. 這些特點使其可用于VUV/UV探測、契侖科夫光環(huán)成像，特別是針對低本底暗物質(zhì)實驗中的低溫液氙液氬閃爍光的探測. 傳統(tǒng)的GEM是基于Kapton基材通過化學腐蝕PCB板的工藝制作而來的. 最初，F(xiàn)R4基材是國產(chǎn)THGEM常用的基材，這說明FR4基材和Kapton基材也比較適合于微孔陣列探測器的制作.

氫元素對熱中子散射截面最高，散射截面為47.7b，遠大于其他元素的散射截面. Kapton是由聚酰亞胺制作而來，H元素的含量為2.6%. FR4是由環(huán)氧樹脂制作而來，H元素的含量為1.3%. PTFE是由聚四氟乙烯制作而來，主要含C元素和F元素，H元素的含量幾乎為零. 陶瓷基材是復(fù)合型材料，純陶瓷主要是由粘土、石英和長石組成，而陶瓷基材則是由90%的純陶瓷和10%的玻璃纖維混合而成. 如表1所示, 陶瓷基材含量最高的元素是氧元素，約占43.5%，而熱中子散射截面最高的氫元素在陶瓷基材所有元素里所占的比例幾乎為零，導(dǎo)致陶瓷基材的熱中子散射截面僅為3.8b. 由此可見，陶瓷基材和PTFE基材對熱中子散射要低于其他兩種基材.

表1 陶瓷基材的物質(zhì)含量

3 Geant4模擬

對于中子探測，空間分辨一般要求在毫米量級水平，這對于THGEM中子探測器是非常有利的. 但是，THGEM中子探測器對中子的探測效率是一個至關(guān)重要的問題. 這種問題通常通過在THGEM上鍍中子轉(zhuǎn)換層的級聯(lián)結(jié)構(gòu)來解決，如圖3所示. 在探測熱中子和慢中子時，THGEM基材對中子的散射和吸收必須得考慮. 相對于THGEM中子探測器電場分布情況而言，在THGEM下表面鍍一層2 μm厚度的10B(2 μm厚度也是最合理的厚度)，會更有利于氣體的電離和電子的入孔.

圖3 THGEM中子探測器的原理圖Fig.3 Schematic view of the THGEMs neutron detection

3.1 熱中子散射和吸收模擬

熱中子的損失一般包括散射和吸收兩部分. 通過使用Geant4[11]軟件和參考低能中子相互作用的物理參數(shù)列表(QGSP_ BERT_HP)[12]，可以模擬出陶瓷基材、FR4基材、Kapton基材和PTFE基材對熱中子的散射和吸收影響. 用Geant4模擬時，中子的能量設(shè)為25 ×10-3eV，此為典型的熱中子能量值. 在真空環(huán)境中，感應(yīng)板或收集板放在距基材2 mm處，基材設(shè)置為無孔. 圖4展示的是陶瓷基材、FR4基材、PTFE基材和Kapton基材對熱中子的吸收和散射與基材厚度的關(guān)系. 從圖4可以看出，熱中子的散射率和吸收率與四種基材的厚度成正比. 熱中子的散射率是吸收率的100～200倍，所以基材對熱中子的損失影響主要是散射而不是吸收. 其中，對熱中子的散射率和吸收率都最少的是陶瓷基材，其次是PTFE基材，而這兩種基材對熱中子的散射率幾乎相同. THGEM探測器在探測慢中子時，要考慮到基材對熱中子的散射概率和吸收概率，而陶瓷基材對熱中子的損失率比其他三種基材低.

圖4 四種基材對熱中子的吸收和散射與基材厚度的關(guān)系Fig.4 Thermal neutron absorptions and scattering ratios as a function of the thicknesses for the four substrates

3.2 中子探測效率模擬

由于α粒子使空氣電離產(chǎn)生的原初電子比X射線高103倍，因此THGEM探測器對中子的探測效率主要由n-α的轉(zhuǎn)換效率決定. 用Geant4模擬10B的厚度與n-α轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系，熱中子從垂直10B層的中心入射，中子的能量設(shè)為25 ×10-3eV.在真空環(huán)境中，感應(yīng)板或收集板放在距10B層下表面0.3 mm的地方來收集α粒子，四種基材厚度為0.2 mm且無孔. 如圖5所示，剛開始n-α轉(zhuǎn)換效率隨著10B層厚度的增加呈指數(shù)增長. 當10B層厚度為2.5 μm時，n-α轉(zhuǎn)換效率達到最大，約為3%. 隨著10B層厚度的不斷增加，越來越多轉(zhuǎn)換出來的α粒子被10B吸收，而不能釋放到工作氣體中，所以轉(zhuǎn)換效率緩慢地降低，而不是繼續(xù)增大，這一過程由10B自身所決定.

圖5 n-α轉(zhuǎn)換效率與10B層厚度的關(guān)系Fig.5 The n-α conversion efficiency as a function of the thickness of 10B

4 THGEM實驗測試

如圖6所示為由陰極、陽極和單/雙層THGEM組成的探測器測試腔室，THGEM安裝在聚乙烯(PE)框架上，并放入密不透氣的有機玻璃(PMMA)腔室中. THGEM探測器的測試是在常溫常壓條件下的流動混合氣體中進行.55Fe X射線源(10 mCi)被放在測試腔室的頂部并用直徑為2 mm的通孔進行準直.55Fe產(chǎn)生的5.9 keV X射線與Ar原子相互作用產(chǎn)生的電離電子在THGEM空穴中以雪崩模式放大，然后進入感應(yīng)區(qū)，最后被陽極收集. 所有電極均采用CAEN SY127高壓電源進行加壓，用ORTEC 142前置放大器(電荷靈敏度為1 V/pC)和ORTEC 572A放大器(整形時間2 μs)以及ORTEC 916多通道分析儀(MCA)以脈沖計數(shù)模式記錄信號[13-14].

圖6 THGEM測試腔室的原理圖

測試國產(chǎn)陶瓷、PTFE、Kapton和FR4基材THGEM工作性能的參數(shù)：漂移區(qū)場強Ed=1 kV·cm-1，氣體厚度5 mm，傳輸區(qū)場強Et=1 kV·cm-1，層與層間隙2 mm，感應(yīng)區(qū)場強Ei=4 kV·cm-1，感應(yīng)間隙2 mm；THGEM電壓UTHGEM根據(jù)氣體和THGEM的厚度而變化，一般有100 V左右的工作區(qū)間；增益測試時，加壓步長為10 V或20 V電壓.

4.1 THGEM增益測試

通過用能量為5.9 keV的X射線源55Fe，對單/雙層陶瓷-THGEM、單/雙層PTFE-THGEM、單/雙層FR4-THGEM和單/雙層Kapton-THGEM分別在Ar + CO2= 80∶20工作氣體中進行增益測試，我們發(fā)現(xiàn)Ar+CO2氣體是綠色氣體，無毒無害，且不易燃燒，可廣泛應(yīng)用于THGEM的性能測試. 四種不同基材THGEM增益曲線見圖7.

圖7 四種基材THGEM的增益

在Ar+CO2=80∶20的工作氣體中，雙層增益最高的是FR4-THGEM，增益高達5.5×104；其次是雙層Ceramic-THGEM，增益高達3.9×104. 單層增益最高的是FR4-THGEM，增益高達1.5×104；其次是單層Ceramic-THGEM，增益高達1.2×104. 單層與雙層增益大約相差3～4倍. 整體而言, 這四種基材THGEM在Ar+CO2的工作氣體中增益線性都比較好，而且工作電壓區(qū)間也高于100 V.

4.2 THGEM長期穩(wěn)定性測試

本文采用Ar + CO2= 80∶20工作氣體，對雙層陶瓷-THGEM、雙層PTFE-THGEM、雙層Kapton-THGEM和雙層FR4-THGEM進行連續(xù)100 h以上的增益穩(wěn)定性測試. 測試過程中每隔10 min取一次55Fe的能譜圖，擬合全能峰得到增益，結(jié)果如圖8所示.

圖8 四種基材THGEM的長期穩(wěn)定性Fig.8 Long-term stabilities of four substrates THGEM

從圖8我們分別可以看到，雙層陶瓷-THGEM增益從1.9×104緩慢下降，在6 h后，增益基本維持在1.8×104左右，此后一直在該值附近上下浮動. 在6 h后的工作時間段內(nèi), 增益變化處于1 700/18 000=9.44%水平. 雙層PTFE-THGEM增益基本維持在1.9×104左右，此后一直在該值附近上下浮動，在工作時間段內(nèi)增益變化處于3 500/19 000=18.42%水平. 雙層Kapton-THGEM增益從1.3×104緩慢上升，在3 h后，增益趨于平穩(wěn)，基本維持在1.5×104左右，此后一直在該值附近上下浮動; 在3 h后的工作時間段內(nèi)，增益變化處于1 900/15 000=12.67%水平. 雙層FR4-THGEM在整個工作時間段內(nèi)增益都趨于平穩(wěn)，基本維持在1.5×104左右，此后一直在該值附近上下浮動，整個工作時間段內(nèi)增益的變化處于1 000/21 000=4.76%水平.

總之，四種不同基材THGEM的長期穩(wěn)定性都在正常范圍內(nèi). 無論是達到穩(wěn)定所需時間，還是穩(wěn)定期間的波動變化，F(xiàn)R4-THGEM的長期穩(wěn)定性都要好于其他三種基材THGEM, 其次是陶瓷-THGEM. 但是，四種基材THGEM更長時間的增益穩(wěn)定性還需要實際的應(yīng)用來檢驗.

4.3 THGEM能量分辨率測試

5.9 keV55Fe的X射線能夠在以氬氣為基底的工作氣體中激發(fā)出全能峰和逃逸峰，且兩峰位恰好相差一倍，因此它是測量氣體探測器能量分辨的理想手段. 本文在Ar + iC4H10= 97∶3工作氣體中，測試了雙層陶瓷-THGEM、雙層PTFE-THGEM、雙層Kapton-THGEM和雙層FR4-THGEM的能量分辨率，得到如圖9所示的55Fe能譜圖. 用單高斯對全能峰進行擬合得到方差，通過公式FWHM = 2.35σ得到半高寬，從而能量分辨 = FWHM / Peak×100%，此處Peak是全能峰的峰位. 雙層陶瓷-THGEM的能量分辨約為24.4%，雙層PTFE-THGEM的能量分辨約為25.3%，雙層Kapton-THGEM的能量分辨約為32.7%，雙層FR4-THGEM的能量分辨約23.7%. 四種基材THGEM的能量分辨率為氣體探測器能量分辨的正常水平，其中能量分辨率最好的是FR4-THGEM，其次是陶瓷-THGEM.

(a) 雙層Ceramic-THGEM

4.4 α響應(yīng)

結(jié)實耐用和亞毫米空間分辨的THGEM同樣適用于快中子和慢中子探測. 由于中子不能通過氣體電離探測，所以基于THGEM的中子探測器必須結(jié)合一些中子轉(zhuǎn)換層. 而3He、10B、6Li和3He氣體的價格昂貴，因此，近年來人們致力于尋找另一種中子探測的有效方法，如級聯(lián)結(jié)構(gòu)的THGEM探測器. 對于熱中子，10B(α，n)轉(zhuǎn)換層是一個非常好的選擇. 它與中子反應(yīng)如式(1)～式(3)所示.

(1)

(2)

(3)

10B吸收中子放出能量為1.78和1.47的α粒子. 對于THGEM自身而言，需要探測的是α粒子，它能產(chǎn)生比X射線更多的電離電子，這意味著對于中子探測不需要很高的增益. 由于中子束流夾雜著很高的γ射線本底，所以探測效率和n/γ鑒別能力對基于THGEM的中子探測器非常重要. 圖10(b)增益曲線展示的是在Ar + CO2= 80∶20的工作氣體中分別用55Fe X射線源和239Pu α粒子源來測試雙層陶瓷-THGEM. 其中，漂移區(qū)間距5 mm，感應(yīng)區(qū)間距2 mm，板間距2 mm. 從圖10(b)中可以很清楚地看出，達到相同的ADC道數(shù)5.5 MeV α粒子源測試所需電壓比5.9 keV55Fe X射線低了大約300 V. 因此，通過調(diào)節(jié)增益和操作電壓，能將中子信號與X射線區(qū)分開. 眾所周知，光電效應(yīng)發(fā)生在光子能量低于10 MeV的情況下，且隨著能量的增加反應(yīng)截面會減少. 所以高能量(MeV)的γ光子本底比X射線產(chǎn)生的電離電子數(shù)要低. 圖10(a)是在電壓為790 V，增益為96時5.5 MeV α粒子能譜圖，α粒子能量沉積譜是分布非常清楚的朗道分布.

(a) α粒子能譜圖

5 總 結(jié)

THGEM探測器是一種特別優(yōu)秀的微結(jié)構(gòu)氣體探測器，其增益較高，且抗打火能力很強，造價相對低廉, 大面積制作容易，具有很大的研究價值.

對陶瓷-THGEM、Kapton-THGEM、PTFE-THGEM和FR4-THGEM用Geant4模擬了中子探測效率和中子損失率，并對以上四種基材THGEM進行了性能測試. 測試結(jié)果顯示四種基材THGEM都能正常工作，陶瓷-THGEM的各項性能僅次于FR4-THGEM, 但其中子損失率僅是FR4-THGEM的1/3～1/2，如表2所示. 因此，國產(chǎn)陶瓷-THGEM在熱中子探測方面具有很好的性能.

表2 四種基材THGEM的實驗驗證與模擬結(jié)果Tab.2 The experimental and simulation results of four substrates THGEM

由Geant4模擬顯示，損失率主要由散射造成，而不是由吸收造成. 單/雙層陶瓷-THGEM分別在Ar + CO2= 80∶20的工作氣體中最大增益為1.2×104和4×104；雙層陶瓷-THGEM在Ar + iC4H10= 97∶3的工作氣體中能量分辨率高于24.4%；雙層陶瓷-THGEM在Ar + CO2= 80∶20的工作氣體中至少能正常工作100 h，且增益波動性好于9.44%. 其中，Ar + CO2= 80∶20是中子探測器最常用的工作氣體. 當用239Pu α源，陶瓷-THGEM展示了很好的α響應(yīng). 由于α粒子和X射線存在300 V高壓操作范圍的差異. 所以中子信號很容易區(qū)分γ射線本底.

薄基材和高靈敏面積的陶瓷-THGEM將是今后的研究重點. 對于實際應(yīng)用，理想的厚度為0.1 mm，靈敏面積將大于200 mm×200 mm.