大面積GEM探測(cè)器的研制及應(yīng)用研究.pdf

1、自1997年問(wèn)世以來(lái)，氣體電子倍增器（Gas Electron Multiplier,GEM）迅速發(fā)展成為一種主流的微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器(MPGD)。GEM探測(cè)器的核心部件(GEM薄膜)是兩面鍍銅的聚酰亞胺薄膜(Kapton)，該GEM薄膜經(jīng)化學(xué)刻蝕后具有一系列等間距的微孔，孔徑50μm～80μm，孔間距140μm左右。當(dāng)薄膜上下兩側(cè)的銅面上加上一定的電壓時(shí)，孔內(nèi)會(huì)形成強(qiáng)電場(chǎng)（＞50kV/cm），使得電子在孔內(nèi)能夠發(fā)生雪崩放大。由于單層GE

2、M膜的放大倍數(shù)有限，一般通過(guò)多層GEM膜級(jí)聯(lián)的方式獲取很高的增益（可達(dá)106）。GEM探測(cè)器具有高計(jì)數(shù)率、高增益、高空間分辨、較好的能量分辨等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它容易加工成各種形狀，價(jià)格低廉，可在強(qiáng)磁場(chǎng)中使用，因而非常適合高計(jì)數(shù)率環(huán)境下的帶電徑跡的探測(cè)與觸發(fā)以及輻射成像。
　　在GEM探測(cè)器的發(fā)展初期，由于薄膜制作工藝(雙掩膜，Double-Mask)的限制，只能生產(chǎn)較小面積的GEM薄膜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)GEM探測(cè)器的大規(guī)模使用。因此，GEM探測(cè)

3、器的大型化是其大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵影響因素。2010年出現(xiàn)的單掩膜工藝(Single-Mask)使得大面積GEM探測(cè)器的制作成為可能，使用該工藝已經(jīng)可以生產(chǎn)尺寸達(dá)到200cm×60cm的GEM薄膜，有力地推動(dòng)了GEM探測(cè)器在大型核與粒子物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。目前大面積GEM探測(cè)器已經(jīng)在多項(xiàng)國(guó)際大型核與粒子物理實(shí)驗(yàn)中得到大規(guī)模應(yīng)用，如CMS、SBS、SoLID等，主要用于徑跡探測(cè)或觸發(fā)。隨著大面積GEM薄膜生產(chǎn)的成功，大面積GEM探測(cè)器制作技

4、術(shù)的研究已成為其研發(fā)的一個(gè)重要方向。
　　鑒于GEM探測(cè)器廣闊的應(yīng)用前景，多年以來(lái)，國(guó)內(nèi)很多大學(xué)和研究所都在積極開(kāi)展對(duì)GEM探測(cè)器的研發(fā)工作，但在大面積GEM探測(cè)器的制作上面開(kāi)展的工作不多，未有相關(guān)的研究成果出現(xiàn)。目前，傳統(tǒng)的大面積GEM探測(cè)器的制作技術(shù)是粘膠法，其問(wèn)世最早，但存在耗時(shí)長(zhǎng)、不可拆卸、有效區(qū)內(nèi)有死區(qū)等問(wèn)題。而新出現(xiàn)的自張緊技術(shù)(Self-Stretching)是一種純機(jī)械技術(shù)，在大面積GEM探測(cè)器制作上優(yōu)勢(shì)明顯，具有

5、安裝快捷、有效區(qū)內(nèi)無(wú)死區(qū)、可拆卸等優(yōu)點(diǎn)。本論文計(jì)劃利用自張緊技術(shù)研制大面積GEM探測(cè)器，且在此基礎(chǔ)上研發(fā)出一種新型的制作技術(shù)用于超大面積（米量級(jí)）GEM探測(cè)器制作，并對(duì)探測(cè)器的性能及應(yīng)用開(kāi)展研究工作。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　通過(guò)對(duì)自張緊技術(shù)的研究，在系統(tǒng)理解了大面積GEM探測(cè)器的設(shè)計(jì)、制作方法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了該技術(shù)使用的部件及材料，制作出有效面積30cm×30cm的高性能GEM探測(cè)器原型。在工作電壓4kV時(shí)，測(cè)得其能量分辨率

6、為19.6％，均勻性為5.3％，增益約為104，增益均勻性為19％，位置分辨精度為70μm左右，穩(wěn)定性良好，計(jì)數(shù)率可達(dá)125kHz/mm2。通過(guò)對(duì)大面積GEM探測(cè)器制作技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)改進(jìn)，發(fā)展了一種新型的滑動(dòng)式自張緊技術(shù)(Sliding Self-Stretching)，用于米量級(jí)以上尺寸GEM探測(cè)器的制作。該新型工藝能夠保證探測(cè)器整體受力均勻且張力合適，已成功申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。利用該技術(shù)，我們制作出了有效面積100cm×50cm的G

7、EM探測(cè)器，其測(cè)試性能良好。
　　基于APV25芯片，建立了用于大面積GEM探測(cè)器信號(hào)讀出的多通道高密度電子學(xué)系統(tǒng)，順利開(kāi)展了探測(cè)器位置分辨等性能的研究?；谠撟x出系統(tǒng)，開(kāi)展GEM探測(cè)器高位置分辨宇宙線測(cè)試平臺(tái)的應(yīng)用研究。由于大面積GEM薄膜無(wú)法及時(shí)供應(yīng)，已使用多個(gè)10cm×10cm有效面積的GEM探測(cè)器對(duì)這一測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行原理和技術(shù)驗(yàn)證，成功建立了用于高精度位置分辨測(cè)量的宇宙線測(cè)試系統(tǒng)。此外，使用該探測(cè)器搭建了可以進(jìn)行清晰成像的光

8、學(xué)讀出系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果檢驗(yàn)了該平臺(tái)的可行性，擴(kuò)展了大面積GEM探測(cè)器的應(yīng)用范圍。
　　通過(guò)本論文的研究，深入掌握了高性能大面積GEM探測(cè)器的制作技術(shù)，并對(duì)該探測(cè)器的應(yīng)用進(jìn)行了探索。開(kāi)發(fā)了新型的滑動(dòng)式自張緊工藝，成功制作出了米量級(jí)的大面積GEM探測(cè)器，對(duì)于大面積GEM探測(cè)器在大型物理實(shí)驗(yàn)及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用有重要的意義。搭建了適用于大面積GEM探測(cè)器的多通道高密度讀出電子學(xué)系統(tǒng)，對(duì)采用該技術(shù)的高位置分辨測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了原理和技術(shù)驗(yàn)證，為大面