3-3气体探测器发展
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对撞时间有关的外加脉 冲触发
gated grid V=150V
0V 4mm anode
8
五、其它气体TPC
用于重离子固定靶实验。
规模较小；由于重离子碰撞中产生的很高的粒子径迹密度， 因此侧重点在双径迹分辨及次级顶点的重建。 • 密布的短丝（NA36，BNL810，无感应条读出） • 将阴极感应条平面分成大量的感应片（NA35，HISS， 无信号丝读出） e+e-对撞机的实验中的TPC有好的动量分辨及粒子鉴 别，双径迹分辨较差； 重离子实验中的TPC有好的双径迹分辨，一般也有好的 动量分辨，但粒子鉴别能力较差
27
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（2m）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
二、性能 收集正离子的速度仅为10ns，
这个速度几乎与固体探测器一样
高计数率限 5x106mm－2s－1
时间投影室 TPC
TPC (Time Projection Chamber) 一、结构和工作原理
E和B方向平行且与阳极丝垂直
Lorentz力为0； 电离的径迹会因电子漂移中 的横向扩散而变宽，不过很 强的磁场会减小这种影响。
栅丝、阳极丝、场丝
栅丝的作用是使漂移场的电力线形 成一个漏斗形，将电离电子聚集到灵 敏丝上
15
二、性能
• M=106 • 空间分辨率：65m • 双径迹分辨 500-1000 m • 纵向（沿丝）分辨率 0.9%丝长 • 计数率限 106m－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
16
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30m， 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。
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
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（5-10m）， 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
21
二、性能
空间分辨: 30 m，双径迹分辨400 m。
29
二、性能
阳极，阴极同时得到大小几乎一样的信号，只是极性不一样，有利 于二维读出 M=1.5×104 ，增益的均匀性受kapton膜的厚度均匀性的影响。 沿着槽方向的在5％以内，而垂直于槽的方向为10％左右。 短期稳定性：在高增益的情况下，当计数率较高时，开始工作的几 十秒内会出现气体增益的下降，而且下降较快，在以后时间里则下 降缓慢。与MSGC相类似，由于电荷堆积等效应而导致电场发生变 化。MGD恢复快。 高计数率限：106mm-2s-1 能量分辨 22% 由于漂移电场会影响电荷的收集 ，所以也会影响能量分辨。 最快的信号是MGC，其次是MSGC，而最慢的是MGD的信号。 长期稳定性好 MGD可以看成是一种改进型的微间隙探测器MGC。
能量分辨 11%（55Fe） 时间响应 上升时间35ns,下降时间也只有～60ns 高计数率限 106mm－2s－1 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~103 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。 22 电极易老化，影响寿命
9
六、液体TPC
用液体代替气体作为带电粒子的探测介质有许多 优点。
气泡室、液氩电磁量能器
液体TPC具有良好的能量与空间分辨，像气泡室 一样，能给出电离径迹的三维成像。特别适合高 精度、大质量的应用与寻找稀有事例的实验中， 例如太阳中微子、质子衰变及双衰变等。 常用液氩(LAr)
10
5
四、STAR上的TPC
L=4.2m, D=4m 内外扇区阴极片尺寸不一样
6
Outer and Inner Sectors of the Pad Plane
24 sectors (12 on a side) Large pads good dE/dx resolution in the Outer sector Small pads for good two track 60 cm resolution in the inner 190 cm sector
2 2 2 xy A B L LM
eL sec c2 eL cos tan 2
其中，L 为漂移距离，LM=1m 为最大漂移距离； 为带电粒子径迹与灵敏丝平面垂直方向的夹角； 为电子的俘获率； A 为电子学等效应引起的本征空间分辨率；
B、 C 分别为L、 函数项的系数
Outer sector 6.2 × 19.5 mm pads 3940 pads
Inner sector 2.85 × 11.5 mm pads 1750 pads
70 Millions readout Channels
7
增加“门”丝 以减小高计数率下的空 间电荷效应，加快正离 子收集
由与在TPC中心发生
每个端面分6个扇区，每个扇区有183根灵 敏丝，彼此平行且与半径方向垂直，丝距 4mm。其中15根丝彼此距离相等，下面有 7.5x7.5mm的感应片。 灵敏丝直径为20m，栅丝和场丝76 m
3
Ar（80%）+ CH4（20%）。 PEP-4的TPC侧重于粒子鉴别，故充以高气压（8.5 个大气压），有利于dE/dX的测量。 dE/dX 的能量分辨 3% 空间分辨
阳极丝测dE/dX
部分阳极丝（空间丝）下面有 由感应片组成的阴极感应条。
1
空间丝上带电粒子的径迹坐标就由丝上雪崩 在感应片上感应信号的重心所决定。 （100m）
•
• 漂移时间给出z向的位置。 （300m） • 两者结合，给出带电粒子的三维坐标。
2
二、PEP-4的高压TPC
圆柱半径1m，长2m。 圆柱中央有一加负高压 （-150kV）的电极将圆柱 分为左右对称的两半。 圆柱的两端面是栅丝平面、 阳极丝平面（包括灵敏丝和 场丝）和阴极感应平面。 磁场B=1.5T，与电场平行， 测动量，减小漂移电子的横 向扩散。
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ArCO2(70:30)的气体中， 放大倍数可达104
Biblioteka Baidu
GEM+MSGC
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
24
两级GEM
三、应用
粒子物理实验 COMPASS双GEM X成像，医疗诊断
25
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 100m。这一小间隙可以用耐 压好的石英丝或尼龙丝做垫片来 26 保证。
17
二、性能
• 空间分辨率：100m • 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。
18
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。
Ea Eb X 1 1 X
11
r X 2d
三维成像 每个事例2个二维平面成像： 漂移时间-感应丝、漂移时间-收集丝 12 被取样采集的电荷值表示为像素的黑度，越黑表示电荷值越高
宇宙线引起的簇射在收集面的成像
包含电磁簇射和强子簇射 小黑点由1MeV的光子形成
13
气体探测器的新发展
增益比MSGC高一个量级
二维读出好，阴阳极几乎一样
28
微槽气体探测器MGD
一、结构和工作原理 基于PCB制作技术在两面 都有镀金铜箔的Kapton膜 刻上微槽而制成。上、下两 层的金属微条分别是微槽的 阴阳两极，其气体放大是在 Kapton膜的微槽内。 微槽厚50m，镀金铜箔 厚5 m，阳极宽30-40 m。
当L=0， =0 时，xy=160m Z向空间分辨为 z =340m
最小值
4
三、DELPHI的常压TPC
1个大气压 Ar（80%）+ CH4（20%）。 圆柱长2.66m。 圆柱中央有一加负高压 （-20kV）的电极将圆柱分 为左右对称的两半。 与电场平行磁场B=1.2T 每个端面分6个扇区，每个 扇区有192根灵敏丝， 阴极板有16圈感应片，每 圈相距4.5cm。每片面积 为52.5mm2 ，每圈的片数 从16到144片不等，但为 16的倍数。宽度不同
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
19
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。
14
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； 31m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。 • 每根径迹30次取样
• 高精度，在高计数的前提下要有≤50m 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。 20
屏蔽栅(Y) 感应平面(Y)由灵敏 丝（2根一组，相距 0.6mm）、屏蔽丝 构成 收集平面(X)给出另 一维坐标 屏蔽栅的存在，使得 在漂移电子未穿过栅 丝之前，不会在灵敏 丝上产生感应信号。 屏蔽栅平面对漂移电子100%透明的条件 E2/E1>1.4 E3/E1>3 电场线将在感应平面的灵敏丝之间通过而 到达收集平面的灵敏丝
气体电子倍增器GEM
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 23 集
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100m下降到50m时， 信号的上升时间会减少2倍，当间隙为50m时，30ns 的时间可以收集到整个信号 高计数率限 109mm－2s－1 ，基本无饱和现象 M~3x105 （Ar+C2H6+CF4） 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。 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。
gated grid V=150V
0V 4mm anode
8
五、其它气体TPC
用于重离子固定靶实验。
规模较小；由于重离子碰撞中产生的很高的粒子径迹密度， 因此侧重点在双径迹分辨及次级顶点的重建。 • 密布的短丝（NA36，BNL810，无感应条读出） • 将阴极感应条平面分成大量的感应片（NA35，HISS， 无信号丝读出） e+e-对撞机的实验中的TPC有好的动量分辨及粒子鉴 别，双径迹分辨较差； 重离子实验中的TPC有好的双径迹分辨，一般也有好的 动量分辨，但粒子鉴别能力较差
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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（2m）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
二、性能 收集正离子的速度仅为10ns，
这个速度几乎与固体探测器一样
高计数率限 5x106mm－2s－1
时间投影室 TPC
TPC (Time Projection Chamber) 一、结构和工作原理
E和B方向平行且与阳极丝垂直
Lorentz力为0； 电离的径迹会因电子漂移中 的横向扩散而变宽，不过很 强的磁场会减小这种影响。
栅丝、阳极丝、场丝
栅丝的作用是使漂移场的电力线形 成一个漏斗形，将电离电子聚集到灵 敏丝上
15
二、性能
• M=106 • 空间分辨率：65m • 双径迹分辨 500-1000 m • 纵向（沿丝）分辨率 0.9%丝长 • 计数率限 106m－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
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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30m， 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。
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
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（5-10m）， 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。
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二、性能
阳极，阴极同时得到大小几乎一样的信号，只是极性不一样，有利 于二维读出 M=1.5×104 ，增益的均匀性受kapton膜的厚度均匀性的影响。 沿着槽方向的在5％以内，而垂直于槽的方向为10％左右。 短期稳定性：在高增益的情况下，当计数率较高时，开始工作的几 十秒内会出现气体增益的下降，而且下降较快，在以后时间里则下 降缓慢。与MSGC相类似，由于电荷堆积等效应而导致电场发生变 化。MGD恢复快。 高计数率限：106mm-2s-1 能量分辨 22% 由于漂移电场会影响电荷的收集 ，所以也会影响能量分辨。 最快的信号是MGC，其次是MSGC，而最慢的是MGD的信号。 长期稳定性好 MGD可以看成是一种改进型的微间隙探测器MGC。
能量分辨 11%（55Fe） 时间响应 上升时间35ns,下降时间也只有～60ns 高计数率限 106mm－2s－1 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~103 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。 22 电极易老化，影响寿命
9
六、液体TPC
用液体代替气体作为带电粒子的探测介质有许多 优点。
气泡室、液氩电磁量能器
液体TPC具有良好的能量与空间分辨，像气泡室 一样，能给出电离径迹的三维成像。特别适合高 精度、大质量的应用与寻找稀有事例的实验中， 例如太阳中微子、质子衰变及双衰变等。 常用液氩(LAr)
10
5
四、STAR上的TPC
L=4.2m, D=4m 内外扇区阴极片尺寸不一样
6
Outer and Inner Sectors of the Pad Plane
24 sectors (12 on a side) Large pads good dE/dx resolution in the Outer sector Small pads for good two track 60 cm resolution in the inner 190 cm sector
2 2 2 xy A B L LM
eL sec c2 eL cos tan 2
其中，L 为漂移距离，LM=1m 为最大漂移距离； 为带电粒子径迹与灵敏丝平面垂直方向的夹角； 为电子的俘获率； A 为电子学等效应引起的本征空间分辨率；
B、 C 分别为L、 函数项的系数
Outer sector 6.2 × 19.5 mm pads 3940 pads
Inner sector 2.85 × 11.5 mm pads 1750 pads
70 Millions readout Channels
7
增加“门”丝 以减小高计数率下的空 间电荷效应，加快正离 子收集
由与在TPC中心发生
每个端面分6个扇区，每个扇区有183根灵 敏丝，彼此平行且与半径方向垂直，丝距 4mm。其中15根丝彼此距离相等，下面有 7.5x7.5mm的感应片。 灵敏丝直径为20m，栅丝和场丝76 m
3
Ar（80%）+ CH4（20%）。 PEP-4的TPC侧重于粒子鉴别，故充以高气压（8.5 个大气压），有利于dE/dX的测量。 dE/dX 的能量分辨 3% 空间分辨
阳极丝测dE/dX
部分阳极丝（空间丝）下面有 由感应片组成的阴极感应条。
1
空间丝上带电粒子的径迹坐标就由丝上雪崩 在感应片上感应信号的重心所决定。 （100m）
•
• 漂移时间给出z向的位置。 （300m） • 两者结合，给出带电粒子的三维坐标。
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二、PEP-4的高压TPC
圆柱半径1m，长2m。 圆柱中央有一加负高压 （-150kV）的电极将圆柱 分为左右对称的两半。 圆柱的两端面是栅丝平面、 阳极丝平面（包括灵敏丝和 场丝）和阴极感应平面。 磁场B=1.5T，与电场平行， 测动量，减小漂移电子的横 向扩散。
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ArCO2(70:30)的气体中， 放大倍数可达104
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GEM+MSGC
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
24
两级GEM
三、应用
粒子物理实验 COMPASS双GEM X成像，医疗诊断
25
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 100m。这一小间隙可以用耐 压好的石英丝或尼龙丝做垫片来 26 保证。
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二、性能
• 空间分辨率：100m • 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。
18
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。
Ea Eb X 1 1 X
11
r X 2d
三维成像 每个事例2个二维平面成像： 漂移时间-感应丝、漂移时间-收集丝 12 被取样采集的电荷值表示为像素的黑度，越黑表示电荷值越高
宇宙线引起的簇射在收集面的成像
包含电磁簇射和强子簇射 小黑点由1MeV的光子形成
13
气体探测器的新发展
增益比MSGC高一个量级
二维读出好，阴阳极几乎一样
28
微槽气体探测器MGD
一、结构和工作原理 基于PCB制作技术在两面 都有镀金铜箔的Kapton膜 刻上微槽而制成。上、下两 层的金属微条分别是微槽的 阴阳两极，其气体放大是在 Kapton膜的微槽内。 微槽厚50m，镀金铜箔 厚5 m，阳极宽30-40 m。
当L=0， =0 时，xy=160m Z向空间分辨为 z =340m
最小值
4
三、DELPHI的常压TPC
1个大气压 Ar（80%）+ CH4（20%）。 圆柱长2.66m。 圆柱中央有一加负高压 （-20kV）的电极将圆柱分 为左右对称的两半。 与电场平行磁场B=1.2T 每个端面分6个扇区，每个 扇区有192根灵敏丝， 阴极板有16圈感应片，每 圈相距4.5cm。每片面积 为52.5mm2 ，每圈的片数 从16到144片不等，但为 16的倍数。宽度不同
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
19
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。
14
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； 31m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。 • 每根径迹30次取样
• 高精度，在高计数的前提下要有≤50m 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。 20
屏蔽栅(Y) 感应平面(Y)由灵敏 丝（2根一组，相距 0.6mm）、屏蔽丝 构成 收集平面(X)给出另 一维坐标 屏蔽栅的存在，使得 在漂移电子未穿过栅 丝之前，不会在灵敏 丝上产生感应信号。 屏蔽栅平面对漂移电子100%透明的条件 E2/E1>1.4 E3/E1>3 电场线将在感应平面的灵敏丝之间通过而 到达收集平面的灵敏丝
气体电子倍增器GEM
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 23 集
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100m下降到50m时， 信号的上升时间会减少2倍，当间隙为50m时，30ns 的时间可以收集到整个信号 高计数率限 109mm－2s－1 ，基本无饱和现象 M~3x105 （Ar+C2H6+CF4） 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。 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。