3 4气体探测器发展
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? MWPC 的局限性：
? 垂直阳极丝方向，空间分辨率有丝距（ 2mm ）决定。 ? 由于正离子收集时间长，计数率受到限制。
解决方法：
? 减小丝距:改进空间分辨率，减小每根丝承受的粒子通量。
? 减小阳极和阴极间的气隙：缩短离子收集时间，减小空间电荷 效应
? 但这两种方法都会减小输出幅度（ M 、电离数），机械加工精 度的限制（S<1mm,L<2mm ）时，丝室工作不稳定
7
微条气体室MSGC
MSGC (MicroStrip Gas Chamber)
一、结构和工作原理
? 在绝缘或半绝缘基质板 上通过蚀刻而成的两组细 金属条: 阳极条（5-10 ? m）， 电场条（50-100 ? m）
? 产生雪崩倍增的阳极和 阴极之间的距离大大缩短
8
二、性能
? 空间分辨: 30 ?m，双径迹分辨400 ? m。 ? 能量分辨 11% （55 Fe ） ? 时间响应 上升时间?35ns, 下降时间也只有～60ns ? 高计数率限 10 6mm －2s－1
? 每根径迹30次取样
2
二、性能
? M=10 6 ? 空间分辨率： 65 ?m ? 双径迹分辨 500-1000 ?m ? 纵向（沿丝）分辨率 0.9% 丝长 ? 计数率限 10 6m －2s－1 ? 抗辐照性能好： 0.5-1.0 ?A/cm ，比通常
的MWPC 好20 倍 ? 单元死时间 30-40ns
? 漂移室以其大单元、高分辨及结构和制作相对简单得到 更广泛的应用。
? 但不能工作在高计数率下，多径迹分辨差
6
? 近年来，各种高强度，高能量的加速器的建造给探测器也 提出了新的更高的要求。
? 极快的时间响应。强子对撞机LHC 的对撞间隔是25ns, HERA-B 的时间间隔是96ns ，所以，探测器的时间响 应不能大于100ns 。
微网平面气体探测器（Micromegas ）不仅可以做高能 物理实验的径迹探测器，还有可能做顶点探测器，同时可 以应用在其它高计数率的领域。
14
微隙室MGC
MGC (Micro Gap Chamber)
一、结构和工作原理
? Al 膜（阴极）+ 绝缘条 + Al 膜（阳极）
绝缘条的厚度（2? m）决定了阳 极－阴极间的距离，也决定了电场。 气体的放大与阳极的间隙无关
GEM+MSGC
11
两级GEM
三、应用
? 粒子物理实验 COMPASS 双GEM
? X成像，医疗诊断
12
微网平面气体探测器Micromegas
Micromegas (Micro Mesh Gaseous Structure)
一、结构和工作原理
用很薄很细的金属网代替阴极丝 平面，用刻有微条的板作为阳极 平面，两平面之间的间隔小于ห้องสมุดไป่ตู้100 ? m。这一小间隙可以用耐
由于MSGC 好的能量、位置分辨，快的时间响应和快的计 数率能力，而得到人们广泛的关注。CMS 采用其作为内层 的径迹探测器。
? M~10 3 ? 放大倍数稳定性不好
主要原因是在垫板上的电荷堆积和放电问题。在气体，
电极的材料，垫板的材料和表面处理等方面找到了比
较好的解决方案。
电极易老化，影响寿命
9
气体电子倍增器GEM
3
稻草管室STC
STC (Straw Tube Chamber)
一、结构 ? 由4-6mm 的圆柱形连
续阴极面代替几根阴极 丝限定的小单元。 ? 阴极是铝化的Mylar 或 Lexan 膜，厚度30 ? m， 并不引进更多的散射和 吸收 ? 当丝断裂时可以起到很 好的隔离作用，也可较 好地消除噪声 ? 长度可达几米，需中间 加支撑。
? 高精度，在高计数的前提下要有≤50 ? m 的带电粒子的 径迹分辨。
? 因为所测量的粒子是最小电离粒子，探测器还必须有 高 增益才能有较高的探测效率。
? 近期出现的几种新型气体位置灵敏探测器。从技术上讲， 这些新的探测器大都建立在现代先进的微电子技术、光刻 技术、多层板技术的基础之上。
? 各种类型的无丝位置灵敏探测器的发展，使气体探测器的 技术进入一个崭新蓬勃发展的新时期。
4
二、性能
? 空间分辨率： 100 ? m ? 双径迹分辨： ~4mm ，由管径决定 ? 单元死时间： ~40ns ? 机械性能好，不怕断丝 ? 进一步减小管子的直径、增加长度是对制作工
艺的挑战。
5
? MWPC 和漂移室是具有代表性的气体探测器。不仅在 粒子物理实验中得到广泛的应用，且在 X 射线晶体学、 生物医学和天体物理等领域发挥重要作用。
压好的石英丝或尼龙丝做垫片来
保证。
13
二、性能
? 空间分辨: 60 ?m ? 时间响应
与放大间隙有关，当雪崩间隙由100 ?m下降到50 ?m时， 信号的上升时间会减少2倍，当间隙为50 ? m时，30ns 的时间可以收集到整个信号 ? 高计数率限 10 9mm －2s－1 ，基本无饱和现象 ? M~3x10 5 （Ar+C 2H6+CF 4） ? 在探测器的均匀性，工作稳定性和长时间的可靠的实验中， 均没有发现异常问题。
GEM (Gas Electron Multiplier)
S ? 5? m D ? 80? m T ? 50? m d ? 60? m P ? 140? m
一、结构和工作原理
? GEM 是用很薄的两面都是附有极薄 的铜箔的有机聚合薄箔制成；在有机聚 合薄箔上用光刻技术打有高密度的小孔
? 电子由上面转换区飘进小孔，放大后， 继续飘进过渡区到达下面的电极进行收
气体探测器的新发展
1
多漂移单元模块MDM
MDM (Multidrift Module)
顶点探测器位于最内部，维修难。不仅要求定位精度高和计数率限高， 还要求高可靠性、抗辐射性能强。
一、结构
? 单元：半径 1.5mm
1+6； 31? m的不 锈钢丝性能最好
? 模块：70个单元包在 ?30mm的六角形碳纤 维管内。管子作为机械 支撑、气体密封。
10
集
二、性能
? 空间分辨: 40 ? m ? 时间响应
信号纯粹由电子产生， 无离子尾巴，速度很快 ? GEM 的放大倍数与孔的 大小，膜的厚度有关， 当然是电压的函数。当 选取优化的参数在ArCO 2(70:30) 的气体中， 放大倍数可达10 4
几个倍增结构级联使用 必须对每个GEM 上的
电压，漂移极的电压， 工作气体等各种因素进 行优化。
? 垂直阳极丝方向，空间分辨率有丝距（ 2mm ）决定。 ? 由于正离子收集时间长，计数率受到限制。
解决方法：
? 减小丝距:改进空间分辨率，减小每根丝承受的粒子通量。
? 减小阳极和阴极间的气隙：缩短离子收集时间，减小空间电荷 效应
? 但这两种方法都会减小输出幅度（ M 、电离数），机械加工精 度的限制（S<1mm,L<2mm ）时，丝室工作不稳定
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微条气体室MSGC
MSGC (MicroStrip Gas Chamber)
一、结构和工作原理
? 在绝缘或半绝缘基质板 上通过蚀刻而成的两组细 金属条: 阳极条（5-10 ? m）， 电场条（50-100 ? m）
? 产生雪崩倍增的阳极和 阴极之间的距离大大缩短
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二、性能
? 空间分辨: 30 ?m，双径迹分辨400 ? m。 ? 能量分辨 11% （55 Fe ） ? 时间响应 上升时间?35ns, 下降时间也只有～60ns ? 高计数率限 10 6mm －2s－1
? 每根径迹30次取样
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二、性能
? M=10 6 ? 空间分辨率： 65 ?m ? 双径迹分辨 500-1000 ?m ? 纵向（沿丝）分辨率 0.9% 丝长 ? 计数率限 10 6m －2s－1 ? 抗辐照性能好： 0.5-1.0 ?A/cm ，比通常
的MWPC 好20 倍 ? 单元死时间 30-40ns
? 漂移室以其大单元、高分辨及结构和制作相对简单得到 更广泛的应用。
? 但不能工作在高计数率下，多径迹分辨差
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? 近年来，各种高强度，高能量的加速器的建造给探测器也 提出了新的更高的要求。
? 极快的时间响应。强子对撞机LHC 的对撞间隔是25ns, HERA-B 的时间间隔是96ns ，所以，探测器的时间响 应不能大于100ns 。
微网平面气体探测器（Micromegas ）不仅可以做高能 物理实验的径迹探测器，还有可能做顶点探测器，同时可 以应用在其它高计数率的领域。
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微隙室MGC
MGC (Micro Gap Chamber)
一、结构和工作原理
? Al 膜（阴极）+ 绝缘条 + Al 膜（阳极）
绝缘条的厚度（2? m）决定了阳 极－阴极间的距离，也决定了电场。 气体的放大与阳极的间隙无关
GEM+MSGC
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两级GEM
三、应用
? 粒子物理实验 COMPASS 双GEM
? X成像，医疗诊断
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微网平面气体探测器Micromegas
Micromegas (Micro Mesh Gaseous Structure)
一、结构和工作原理
用很薄很细的金属网代替阴极丝 平面，用刻有微条的板作为阳极 平面，两平面之间的间隔小于ห้องสมุดไป่ตู้100 ? m。这一小间隙可以用耐
由于MSGC 好的能量、位置分辨，快的时间响应和快的计 数率能力，而得到人们广泛的关注。CMS 采用其作为内层 的径迹探测器。
? M~10 3 ? 放大倍数稳定性不好
主要原因是在垫板上的电荷堆积和放电问题。在气体，
电极的材料，垫板的材料和表面处理等方面找到了比
较好的解决方案。
电极易老化，影响寿命
9
气体电子倍增器GEM
3
稻草管室STC
STC (Straw Tube Chamber)
一、结构 ? 由4-6mm 的圆柱形连
续阴极面代替几根阴极 丝限定的小单元。 ? 阴极是铝化的Mylar 或 Lexan 膜，厚度30 ? m， 并不引进更多的散射和 吸收 ? 当丝断裂时可以起到很 好的隔离作用，也可较 好地消除噪声 ? 长度可达几米，需中间 加支撑。
? 高精度，在高计数的前提下要有≤50 ? m 的带电粒子的 径迹分辨。
? 因为所测量的粒子是最小电离粒子，探测器还必须有 高 增益才能有较高的探测效率。
? 近期出现的几种新型气体位置灵敏探测器。从技术上讲， 这些新的探测器大都建立在现代先进的微电子技术、光刻 技术、多层板技术的基础之上。
? 各种类型的无丝位置灵敏探测器的发展，使气体探测器的 技术进入一个崭新蓬勃发展的新时期。
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二、性能
? 空间分辨率： 100 ? m ? 双径迹分辨： ~4mm ，由管径决定 ? 单元死时间： ~40ns ? 机械性能好，不怕断丝 ? 进一步减小管子的直径、增加长度是对制作工
艺的挑战。
5
? MWPC 和漂移室是具有代表性的气体探测器。不仅在 粒子物理实验中得到广泛的应用，且在 X 射线晶体学、 生物医学和天体物理等领域发挥重要作用。
压好的石英丝或尼龙丝做垫片来
保证。
13
二、性能
? 空间分辨: 60 ?m ? 时间响应
与放大间隙有关，当雪崩间隙由100 ?m下降到50 ?m时， 信号的上升时间会减少2倍，当间隙为50 ? m时，30ns 的时间可以收集到整个信号 ? 高计数率限 10 9mm －2s－1 ，基本无饱和现象 ? M~3x10 5 （Ar+C 2H6+CF 4） ? 在探测器的均匀性，工作稳定性和长时间的可靠的实验中， 均没有发现异常问题。
GEM (Gas Electron Multiplier)
S ? 5? m D ? 80? m T ? 50? m d ? 60? m P ? 140? m
一、结构和工作原理
? GEM 是用很薄的两面都是附有极薄 的铜箔的有机聚合薄箔制成；在有机聚 合薄箔上用光刻技术打有高密度的小孔
? 电子由上面转换区飘进小孔，放大后， 继续飘进过渡区到达下面的电极进行收
气体探测器的新发展
1
多漂移单元模块MDM
MDM (Multidrift Module)
顶点探测器位于最内部，维修难。不仅要求定位精度高和计数率限高， 还要求高可靠性、抗辐射性能强。
一、结构
? 单元：半径 1.5mm
1+6； 31? m的不 锈钢丝性能最好
? 模块：70个单元包在 ?30mm的六角形碳纤 维管内。管子作为机械 支撑、气体密封。
10
集
二、性能
? 空间分辨: 40 ? m ? 时间响应
信号纯粹由电子产生， 无离子尾巴，速度很快 ? GEM 的放大倍数与孔的 大小，膜的厚度有关， 当然是电压的函数。当 选取优化的参数在ArCO 2(70:30) 的气体中， 放大倍数可达10 4
几个倍增结构级联使用 必须对每个GEM 上的
电压，漂移极的电压， 工作气体等各种因素进 行优化。