单层气体电子倍增探测器的性能测试

单层气体电子倍增探测器的性能测试
王晓冬;李昱磊;陈国祥;屈国普;罗文
【摘要】介绍了一种气体倍增器(Gas Electron Multiplier，GEM)薄膜，研制了有效面积为10 cm×10 cm的单层GEM探测器原型机.利用55Fe的5.9 keV的x 射线源对单层GEM探测器的正比性，有效增益以及能量分辨率随漂移电场、GEM工作电压以及收集场的函数关系进行了测量，找到了探测器的最佳工作条件.实验结果表明，探测器的正比性良好，性能稳定.当GEM工作电压为451 V时，增益达到500，此时的能量分辨率为17.6％.%A Gas detector based on Gas Electron Multiplier with the sensitive area of 10 cm×10 cm is introduced. The basic performances of the GEM detector are tested with 5. 9 keV x ray of 55Fe source,which are the proportional,energy resolution and effective gain with the field of drift gap, the voltage of GEM and the field of induce gap. And we found the best work condition of the detector.The results show that the detector has a good proportion and works stable.The effective gain and energy resolution is 500 and 17.6%,re-spectively,when the work voltage of GEM is 451 V.
【期刊名称】《南华大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(030)003
【总页数】5页(P14-18)
【关键词】气体电子倍增器;有效增益;能量分辨率
【作者】王晓冬;李昱磊;陈国祥;屈国普;罗文
【作者单位】南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001;南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001;南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001;南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001;南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001
【正文语种】中文
【中图分类】TL811
目前欧洲核子中心的大型强子对撞机[1](Large Hadron Collider，LHC)的对撞能量达到14 TeV，亮度提升到1.0×1035，对探测器提出了更高的要求，如高计数率(1.0×107 mm-2·s-1)，快上升时间(约3 ns)，高的位置分辨率、时间分辨率、抗辐射性和双径迹分辨等.在1986年，由A.Oed首次提出微结构气体探测器[2-3]的概念，它由一些排列在薄的阻性基底上的硅微条组成，突破性的把信号的读出方式独立出来，成为一个新电极，即阳极.但在高能重离子轰击下容易发生打火而损坏，制作和维护成本大.随着现代光刻技术的发展，新型的微结构气体探测器有了长足的发展，突破了以前大多数气体探测器在尺寸上的限制，典型代表就是微孔状的GEM(gas electron multiplier)[4]和微条状Micromegas探测器.GEM膜是科学家F.Souil在1997年发明的一种新型微孔型气体探测器，标准GEM膜的有效面积为10 cm×10 cm，具有三明治结构，上下两层为5 um的覆铜，中间一层是50 um的Kapton绝缘材料.表面蚀刻出密度约为100 mm-2的孔阵列，孔的形状为双倒锥形，孔与孔的距离为140 um，中心孔的直径为50 um.这种探测器性能优越性[5-7]，具有强的耐辐照性，有效增益可达106-107[8]，位置分辨好于63 um，能量分辨率为17%@55Fe[9]，时间分辨率达4.5 ns@ Ar5%CO25%CH4，计数率达107 mm-2·s-1，灵敏区在5 cm2-5 m2区域可调[10]，输出信号几乎全部由电离电子产生，避免了常常的电离离子的拖尾.这种类型的探测器可以满足
LHC装置的探测要求.本文将介绍我们研制的单层GEM探测器的测试结果.
漂移极是2 um厚的Al膜，漂移区和收集区宽度分别为7.5 mm和2.5 mm，如
图1所示.通过三路高压线分别接入漂移极和GEM上下层，阳极PCB板接地.在漂移极和GEM的上下极分别加一个10 MΩ的电阻作为保护电阻，目的是卸载
GEM膜打火造产生的电荷.测试使用的放射源是55Fe 5.9 keV的X射线源，工作
气体采用流动式Ar和CO2混合气体体积比为80∶20.
电离电子在微孔中发生雪崩之后，雪崩电子进入到收集区.雪崩电子在阳极上产生
感应电荷，信号通过电荷灵敏前放(ORTEC 142 PC)进一步放大后送入整形主放(CANE N968)，然后信号再通过NIM插件分为两路：一路信号经过恒比甄别器(CF 8000)和一个门电路产生器 (GG 8000)后，给ADC(Analog to Digital Converter，CAMAC ADC Phlips 7164)送入一个逻辑门信号；另一路信号直接
接入ADC.通过符合电路由ADC获取并输出数据，通过电缆线发送到与CAMAC
控制器连接的计算机上.数据保存成约定的形式(paw、hbook或者root格式)，可以在线或者离线处理.电子学系统做标定ORTEC 419脉冲发生器产生一个幅度为1 V的模拟信号代替探测信号，上升时间为几个ns的矩形脉冲，对应的电荷量为2 pc，信号送入电子学获取系统，通过对其幅度进行四次衰减， ADC获取到四组峰位和对应的电荷量.拟合曲线得到道址和电荷的线性对应关系为：
Q(fc)=0.008798×Ch-0.002056，如图2所示.图3展示了单层 GEM探测器获得
的55Fe源的能谱，能够清晰的区分全能峰和Ar的逃逸峰.全能峰的道址为1877，Ar原子的逃逸峰的道址为950，两个峰的比值为1.98，表明探测系统的能量正比性很好，符合GEM探测器的工作在正比区的要求.
3.1 有效增益和漂移区电场的关系
图4展示了有效增益随漂移电场的变化曲线，包含了三个阶段.第一段，当漂移区
电场小于1.2 kV/cm时，有效增益随漂移电场呈直线增趋势.这是因为随着漂移区
电场的越大，电离电子从离子-电子对中分离出来的越多，并进入GEM微孔中发生雪崩，这一阶段产生的感应信号就会逐渐增大.第二段，当漂移区电场大于1.2 kV/cm小于3 kV/cm时，随着漂移电场的增大，有效增益在260附近达到饱和.这是因为漂移区电场有足够大的拉力使电离电子从电子-离子对分离出来，几乎全部电离电子进入到GEM孔中发生雪崩效应，并在阳极产生信号达到饱和状态，因此在1～3 kV/cm出现一个坪台.第三段，当漂移区电场大于3 kV/cm之后，电离电子因为在漂移区获得非常大的动能而导致速度太大，直接打到GEM上层的覆铜上，没有进入到GEM孔中发生雪崩，进而造成雪崩电子数急剧下降.
3.2 有效增益和GEM电压的关系
保持漂移电场和收集电场分别在Edrift=1.96 kV/cm和Eind.=2.68 kV/cm，把GEM电压从300 V增加到451 V.实验结果如图5所示，有效增益随着GEM电压的升高呈指数增长，符合气体探测器在正比区工作特征，当GEM的电压达到451 V时，单层有效增益达到最大值500.
3.3 有效增益和收集区电场的关系
图6展示了有效增益随收集区电场变化曲线，包含两段.第一段，当收集区电场在1 kV/cm左右时，有效增益比较小.这是因为收集区电场太小导致只有很少一部分雪崩电子从GEM微孔中出来，影响了在PCB上感应电荷的数量.
第二段，当收集区电场逐渐增大，有效增益增
大直到一个稳定值，约为245.这是因为较强的收集电场拉拽能力较大，把更多的雪崩电子从GEM孔拉拽出来，进而在PCB板上产生信号.由于GEM孔中的场强保持不变，所以雪崩电子的数量也在统计范围内保持稳定，所以随着收集区场再增大(大于4 kV/cm)时，阳极感生电荷的数量也相对稳定.
3.4 能量分辨率与漂移区电场、GEM电压以及收集区电场的关系
当收集区电场和GEM膜的电压分别在Eind.=2.68 kV/cm，Vgem=427 V，漂移
区的电场从0.5 kV/cm增大到4 kV/cm时，能量分辨率的变化趋势如图7所示，它包含的3个部分和有效增益随漂移电场变化的三个部分是相互对应的.漂移区的
电场从0.5 kV/cm增大到1.2 kV/cm时，能量分辨率从22.5%减小到20%左右；当漂移电场在1.5 kV/cm到间时，能量分辨率为20%达到相对稳定状态；而当漂移场大于2.5 kV/cm时，能量分辨率逐渐变差.
图8展示了能量分辨率随GEM电压的变化曲线，实验结果表明，在漂移电场和收集电场是1.96 kV/cm和2.68 kV/cm的条件下，随着GEM电压从368 V增大到451 V时，能量分辨率逐渐从25%优化到了17.6%，结果达到本次实验预期设计
参数.
本文介绍了单层GEM探测器工作原理，测试了GEM探测器的正比性、有效增益以及能量分辨率在不同条件下的变化曲线，掌握了这种探测器的加工工艺和工作状态参数，但单层GEM探测器增益较小，将来采用多层GEM膜级联的方式来进一步提高有效增益，本工作为研制多层GEM探测器提供了参数.
【相关文献】
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