探测器结构

GE1/1 LS2
研究现状：
1. 带电粒子或光子探测：大面积、大 型谱仪径迹探测器
2. 中子探测：小面积(0.2m*0.2m)、高 通量、高精度探测器
3. 工作模式：流气式，大面积探测器 内部放气物质种类多，难以除气， 难以实现密闭探测器
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1.研究背景:
CSNS 涂硼GEM中子探测器研究现状 性能参数
PCB厚度由1mm降低至0.56mm，减少了束 流穿过的物质量，降低了中子散射 耐200 ℃以上的高温，可烘烤，放气少， 耐老化、耐辐照
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Geant4
4.关键部件的研究
电子学小型化、集成化 1）计数型电子学：AMPTEK A111，单路前放耦 合甄别器芯片，直接输出TTL信号
探测器
A111前端电子学
➢ 中子散射实验要求探测器长期稳定工作，密闭探测器与外界隔绝，稳定性高 ➢ 在谱仪大厅，出于安全、空间限制、气体排放限制等，不便使用流气式探测器 ➢ 在移动场景、临时测试场地，不便携带气体钢瓶
密闭探测器研究目标：
➢ 两种探测器：计数型和位置灵敏型
➢ 以大科学工程应用为驱动，满足国内在建的中子散射实验装置的需求
设计指标
有效面积
50mm*50mm
热中子注量率
<109n/cm2.s
50mm
位置分辨率 TOF时间分辨率
<3mm(FWHM) <1μs
50mm
探测效率@1.8Å ～4%
总计数率
>1MHz
工作模式
实时监测
流气式GEM中子探测器技术趋于成熟，探测器关键技术基本实现国产化
，工作时需要额外配置供气系统。
密闭探测器研究动机：
陶瓷nTHGEM的测试
HV-in R1
R2
R3 GND
Active area
50mm*50mm
10MΩ
x
10MΩ 10MΩ
Ar/CO2 (90/10)
Ed
Ei
Cathode
Dd=4 mm nTHGEM Di=2 mm
Preamplifier+MCA
探测器
进气
出气
X光管
铜靶X光机(8keV)测试
8
55Fe_X射线(5.9keV)测试
探测器结构：
IHEP-BUAA 涂硼漂移电极
ｎ
Ar/CO2 (90/10)
a or 7Li
漂移区
1 kV/cm
4 mm
IHEP-nTHGEM 感应区
3kV/cm
2mm
单路计数 或者二维读出
关键技术： 密封和Outgassing
系统布局：
高压
探测器
前端电子学
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4.关键部件的研究
陶瓷nTHGEM研制(谢宇广)
4.关键部件的研究
252Cf中子源测试
计数率坪曲线，合适选取工作电压
计数率稳定性涨落16%
计数率稳定性测试
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E字成像
4.关键部件的研究
信号读出柔性电路板
•有效面积50*50mm •64 路: 32 ch(x)+ 32ch(y) •条周期: 1.56mm •条连接方式：三角块连接
换用柔性Kapton材料：
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5.关键技术的研究
腔体密封圈选择
选用弹簧金属密封圈，漏率为1×10- 11 mbar.l /s，且具有一定的回弹性（0.8mm）， 减少烘烤后冷却带来的密封问题
密封类型
加工尺寸 限制
潜在的密封 能力 （mbar.l/s)
工作温度 需要的 优点 范围（℃） 密封载
荷(N/mm)
缺点
铜垫片
300mm (maxi dia.)
Copper Ceramics
Au
有效面积：50mm×50mm，100mm×100mm，200mm×200mm
单位
GEM 膜
绝缘介质
孔直径 孔心间距 d(μm) p(μm)
铜厚 (μm)
膜总厚 敷铜率
(μm)
ɳ
IHEP nTHGEM 陶瓷
200 600
20 200 90%
Drilling
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4.关键部件的研究
低压控制
3路高压 输出
12V低压输入，经 高压模块升压转 换，由电阻链分 配输出3路负高压
封装后高压电源尺寸： 110*74.6*40 mm 高压电源性能参数：
输入电压 输出电压 控制电压 高压纹波
参数
12V
0-3000V 0-5V
<20mV
优势： ➢高压电源前移至近探测器端，与探测器集成，可以减少高压电源长距离传 输的影响，提高探测器信号质量 ➢探测器输入输出为低压，没有高压，可1用2 于真空环境，防止高压打火 ➢专用化，小型化及集成化
1*10^-10 +400 350 -269
铝制带 1000mm(m 1*10^-9 axi dia.)
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3.密闭式探测器的整体设计
探测器部件材料选择
基于密闭式探测器整体设计考虑，要求各部件 对中子束流散射小、耐高温烘烤、释气少，各 部件材料选择如下： • 腔体材料选用铝合金 • 选用多针feedthrough接头，采取焊接方式 • 研发中子专用陶瓷基材nTHGEM膜 • PCB读出板换用柔性Kapton材料
TTL输出
2）二维位置灵敏读出电子学：32路(x)+32路(y)，
ASIC+FPGA+usb读出
ASIC
FPGA
DAC
读出条
前放+成形
64路 (x、y方向)
甄别器
符合电路
击中事例 (x,y,t)
USB读出
电脑 &数据获取
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4.关键部件的研究
高压电源前端集成
ISEG高 压模块 12V输入 电流监测 电压监测
➢ 实现小型化、系统集成，关键技术全部国产化
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2.中子探测的特殊性
中子的特殊性： 1. 电中性 ，穿透力强，轻元素敏感 2. 非单能(能谱)，探测效率随能量变化 3. 伴随较强γ射线及高能快中子 4. 能活化大部分物质，产生次级粒子
ｎ
涂硼漂移电极
漂移区 GEM 感应区
Ar/CO2
Neutron beam monitor
5.关键技术的研究
腔体设计与焊接
➢ 实验用密闭腔体的机械设计 、密封的螺栓分布与预紧力 的计算
➢ 铝与不锈钢焊接：钎焊料过 渡、铝和不锈钢复合板过渡 、镍层过渡
➢ 显示铝与不锈钢焊接漏率： 1×10-11 mbar.l /s
焊接 处
复合材料刀 口法兰
微弧氧化的Байду номын сангаас腔体
未氧化的铝腔体
采取复合板过渡焊接工艺，将铝和不 锈钢焊接，保证泄漏率较小，方便后 续试验测量，为以后feedthrough接头 焊接提供经验
目1. 录研究背景
2. 中子探测的特殊性 3. 密闭式探测器的整体设计 4. 关键部件的研究 5. 关键技术的研究 6. 总结
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1.研究背景
GEM探测器国际发展与现状
Heidelberg University
KEK
CMS GEM Project
GEM upgrade of the ALICE TPC