1、阻性井型阻性井型探测器研究探测器研究吕游吕游核探测与核电子学国家重点实验室核探测与核电子学国家重点实验室中国科学技术大学中国科学技术大学第九届全国先进第九届全国先进气体探测器研讨会气体探测器研讨会 2019-10-17 东莞东莞1 背景介绍背景介绍 高计数率高计数率阻性微井型阻性微井型探测器探测器 高时间分辨多气隙阻性井型探测器高时间分辨多气隙阻性井型探测器 总结总结报告概要报告概要2传统的微结构气体探测器：传统的微结构气体探测器：高计数率高计数率能力能力 高高位置位置分辨分辨 抗辐照，大面积，低抗辐照，大面积，低造价造价 较好的较好的时间分辨和时间分辨和能量分辨能量分辨GEMMicroMeg
2、as结构复杂结构复杂，如，如GEM级级联联放大。安装过程复杂，如放大。安装过程复杂，如GEM的张膜，的张膜，MicroMegas的绷网工艺。的绷网工艺。阻性微井型阻性微井型探测器探测器(-RWELL)阻阻性厚井性厚井型型探测器探测器(RWELL&RPWELL)井型单层放大结构，结构紧凑简单井型单层放大结构，结构紧凑简单；使用使用阻性电极材料，有效抑制探测器的打火阻性电极材料，有效抑制探测器的打火放电；放电；探测器安装过程简单，无需张膜、粘胶、拉网等复杂工艺；探测器安装过程简单，无需张膜、粘胶、拉网等复杂工艺；阻阻性井型探测器性井型探测器背景介绍背景介绍3ATLAS muon 谱仪升级阻性井型探
3、测器阻性井型探测器应用需求应用需求在下一代高亮度在下一代高亮度LHC升级实验中，对撞机具有非常高的亮度以及极高的堆积效应升级实验中，对撞机具有非常高的亮度以及极高的堆积效应LHC周长：27 km质子-质子对撞能量：14 TeV亮度：1034cm-2s-1高能量高能量高亮度高亮度 高计数率高计数率能力能力(MHz/cm2)高高位置位置分辨分辨(百微米百微米)高高时间时间分辨分辨(亚纳秒亚纳秒)大面积大面积(米级米级)实验需求实验需求研究方向研究方向阻性井型阻性井型探测器探测器4 背景介绍背景介绍 高计数率高计数率阻性微井型阻性微井型探测器探测器 高时间分辨多气隙阻性井型探测器高时间分辨多气隙阻性
4、井型探测器 总结总结5二维读出二维读出阻性微井型阻性微井型探测器探测器优化后二维读出的阻性微井型探测器，上下两层读出感应条信号幅度一致，达到优化后二维读出的阻性微井型探测器，上下两层读出感应条信号幅度一致，达到预期效果。预期效果。已成功研制出二维读出的阻性微井型探测器，得到了优异性能，详见 You LV,A DLC RWELL with 2-D Readout,全国全国先进气体探测器研讨会先进气体探测器研讨会(2018)。通过模拟计算对二维读出条参数进一步进行了优化。Top layerBottom layerCopperTop layer:60 m Bottom layer:350 mDist
5、ance:25 mTop layer:80 m Bottom layer:350 mDistance:50 m优化优化6阻性探测器计数率能力阻性探测器计数率能力阻性电极会使得探测器收集的电荷疏散阻性电极会使得探测器收集的电荷疏散变慢，变慢，导致探测器计数率导致探测器计数率能力能力降低。降低。二二维读出阻性微井型探测器计数率能力维读出阻性微井型探测器计数率能力G.Bencivenni et al.,2015_JINST_10_P02008 增益随计数率以及电阻率变化：增益随计数率以及电阻率变化：Yi Zhou et al.,NIMA927(2019)31-36 常规的阻性微井型探测器无法满足常规
6、的阻性微井型探测器无法满足高计数率环境的应用需求，高计数率环境的应用需求，必须必须设计新设计新的技术的技术以实现以实现高高计数计数率性能。率性能。7高计数率阻性微井型探测器现有方案高计数率阻性微井型探测器现有方案Geometrical acceptance：66%/90%在DLC表面使用丝网印刷方法添加快速接地线路，无法印制出宽度很小，精度很高的接地线路，给探测器造成了较大的死区。在APICAL薄膜上制备导电过孔，连接上下DLC阻性电极，工艺极其复杂！单单阻性层快速接地方案阻性层快速接地方案 Grid-pitch 6mm/12mm Dead area 2mm/1.2mm 双阻性层快速接地方案双
7、阻性层快速接地方案 导电过孔 无法使用标准PCB工艺由于死区、复杂的制备工艺等因素无法由于死区、复杂的制备工艺等因素无法满足粒子物理实验中高计数率的应用满足粒子物理实验中高计数率的应用需求需求8中国科大技术方案中国科大技术方案方案方案一，单一，单阻性阻性层：层：使用光刻技术，在DLC表面制备精密的铜电路，以实现快速接地技术死区面积（5%）制作工艺大大简化（标准PCB工艺）方案方案二二，双双阻阻性性层：层：使用标准PCB工艺，简化阻性电极制作流程，提高阻性电极质量复合阻性基材复合阻性基材制备制备(尚伦霖，尚伦霖，20192019全国先进气体探测器研讨会全国先进气体探测器研讨会)DLC+Cu复合阻
8、性基材原理图复合阻性基材原理图DLC+Cu 基基材材得益于复合阻性基材的制备，提出了新的高计数率阻性微井型探测器技术方案得益于复合阻性基材的制备，提出了新的高计数率阻性微井型探测器技术方案9高计数率高计数率阻性微井型探测器制备阻性微井型探测器制备双双阻性层阻性层1.1.两种两种高高计数率阻性微井型探测器均已制作完成计数率阻性微井型探测器均已制作完成。2.实验室环境下，在实验室环境下，在 Ar/CO2(70/30)工作气体下，都能看到工作气体下，都能看到X射线信号。射线信号。3.耐耐压不高压不高(470V)，DLC面电阻率面电阻率低低。4.4.正跟正跟CERN PCB WorkShop 的的 R
9、ui 沟通，准备优化并制备下一版探测器沟通，准备优化并制备下一版探测器。CopperGrounding line单阻性层单阻性层DLC10 背景介绍背景介绍 高计数率高计数率阻性微井型阻性微井型探测器探测器 高时间分辨多气隙阻性井型探测器高时间分辨多气隙阻性井型探测器 总结总结11高高时间时间分辨分辨阻性微井型探测器阻性微井型探测器(FTM)FTM:Fast timing micropattern gaseous detectorFTM的多层的多层结构，降低了每一层探测器的气隙，能够结构，降低了每一层探测器的气隙，能够有效的减小原初电离所带来的时间有效的减小原初电离所带来的时间晃晃动，实现快时
10、间分辨。动，实现快时间分辨。探测器所有电极均为阻性电极对感应信号透明，使得雪崩探测器所有电极均为阻性电极对感应信号透明，使得雪崩后的后的电子能够在读出板产生感应电子能够在读出板产生感应信号。信号。将多层阻性微井型结构堆叠起来，使得较厚的漂移区分割成许多层薄的漂移区，每一层漂移将多层阻性微井型结构堆叠起来，使得较厚的漂移区分割成许多层薄的漂移区，每一层漂移区有单独的放大结构。区有单独的放大结构。12四层四层 FTM 探测器探测器基于阻性微井型探测器，基于阻性微井型探测器，CERN制备了四层的制备了四层的FTM探测器探测器4层层FTM探测器，放大区厚度为探测器，放大区厚度为50 m，每一层漂移区为
11、每一层漂移区为250 m m，采用二维条状读出，采用二维条状读出阴极上能够看到电流信号，读出板上看不到感应信号！阴极上能够看到电流信号，读出板上看不到感应信号！中国科大提出了中国科大提出了RWELL-FTM探测器技术！探测器技术！感应信号拉感应信号拉曼定理曼定理权场正比于雪崩区长度与权场正比于雪崩区长度与漂移区长度之比漂移区长度之比13高高时间时间分辨分辨阻性厚井型探测器阻性厚井型探测器使用使用THGEM薄膜作为放大区，制备多层的薄膜作为放大区，制备多层的RWELL-FTM探测器探测器:1.1.在在PCB表面镀表面镀DLC，打孔之后作为放大区。，打孔之后作为放大区。2.在在PCB上下表面镀上下
12、表面镀DLC，作为每一层的漂移，作为每一层的漂移电极。电极。3.在读出板上镀在读出板上镀DLC，作为阻性阳极。，作为阻性阳极。性能特点性能特点：使用使用PCB板制备探板制备探测器的放大区，有更大雪崩距测器的放大区，有更大雪崩距离，预期能够得到更高的增益以及更大的感应离，预期能够得到更高的增益以及更大的感应信号幅度。信号幅度。整个探测器零部件均由整个探测器零部件均由PCB基基材加工制备而成，材加工制备而成，实现完全国产化。实现完全国产化。探测器安装过程十分快捷、迅速。探测器安装过程十分快捷、迅速。孔径:0.5mm Pitch:1mm 厚度:0.4mmRWELL-FTM安装流程高高时间时间分辨分辨
13、阻性厚井型探测器：阻性厚井型探测器：RWELL-FTM14单层单层RWELL-FTM 性能性能制备单层的制备单层的RWELL-FTM探测器，测试基本性能探测器，测试基本性能1.看到了看到了X射线的信号，并能够采集得到射线的信号，并能够采集得到X射射线能谱。线能谱。2.探测器绝对增益可以达到探测器绝对增益可以达到104。3.受权场影响，信号有离子尾巴。受权场影响，信号有离子尾巴。8 keV Copper X-rays-HV-HVDrift:3 mm Ne:CH4=95:515四四层层RWELL-FTMDrift:1mm Ne:CH4=95:5layer1制备制备四四层的层的RWELL-FTM探测
14、器，测试基本性能探测器，测试基本性能layer2layer3layer4四层四层FTM同时工作时的信同时工作时的信号号降低每一层漂移区距离，降低漂移区电场，降低离子尾巴。降低每一层漂移区距离，降低漂移区电场，降低离子尾巴。每一层探测器单独对每一层探测器单独对X-rays均有均有信号响应。信号响应。PCB对对X-rays较强的吸收，越靠近读出板的层数，能谱越差。较强的吸收，越靠近读出板的层数，能谱越差。首次看到首次看到了了4层探测器同时工作对层探测器同时工作对X射线射线的响应的响应！16RWELL-FTM探测效率测试探测效率测试使用使用2 2个闪烁体，搭建宇宙线测试平台，测试个闪烁体，搭建宇宙线
15、测试平台，测试4 4层层RWELL-FTM的探测效率的探测效率ScintillatorRWELL-FTMNe/CH4=95/5探测器工作状态：探测器工作状态：Layer1:offLayer2:820VLayer3:940VLayer4:950VLayer1,Layer2 Layer1,Layer2 耐耐压上不去压上不去，后面发，后面发现为高压插件现为高压插件问题问题。探测效率约探测效率约 15%示波器示波器SequenceSequence模式模式下下，将信号采集，将信号采集下来，计算下来，计算RWELL-FTM探测效率。探测效率。只有只有Layer3Layer3，Layer4Layer4会对宇
16、宙线信号会对宇宙线信号有响应。有响应。17RWELL-FTM下一步的优化下一步的优化1.1.对打孔后的对打孔后的PCB进一步进行软化、刻蚀、冲洗处理，空气中耐压明显提升。进一步进行软化、刻蚀、冲洗处理，空气中耐压明显提升。软化软化刻蚀刻蚀冲洗冲洗2.2.优化优化PCB的厚度以及孔径、孔间距等参数。的厚度以及孔径、孔间距等参数。400 400 m8 800 00 m18总结总结1.基于DLC复合阻性基材，提出了2种高计数率阻性微井型探测器技术方案，在已有的技术上降低了死区，简化了探测器制备工艺。2.制备了高计数率阻性微井型探测器原型样机。探测器对于X射线均有响应。目前正在研究如何优化并进一步制作
17、下一版本探测器原型。3.研究了基于阻性微井型探测器的多层FTM探测器原型。提出了RWELL-FTM的技术方案，并制备了原型样机。原型探测器首次看到了X射线能谱，并对宇宙线有良好响应。19Backup20二维二维读出读出条感应信号模拟条感应信号模拟优化前优化后ANSYS建模，GARFIELD+模拟电子雪崩产生感应信号介质介质读出条读出条电场电场优化前优化前参数参数:Top layer:80 mBottom layer:350 mDistance:50 m优化后参数优化后参数:Top layer:60 mBottom layer:350 mDistance:25 m21优化后测试结果优化后测试结果
18、Top layerBottom layerCopperSector 1能谱能谱Bottom/TopCopper/BottomSector 11.092.03Sector 21.111.95Sector 31.142.06Sector 41.111.95增益增益探测器各区域能谱峰位比探测器各区域能谱峰位比二维读出条感应信号幅度二维读出条感应信号幅度几乎一致几乎一致，达到预期优化效果。，达到预期优化效果。Ar/CO2=70/308 keV copper X-rays22探测器探测器电极均为阻性电极电极均为阻性电极，由，由感应信号拉曼定理可知感应信号拉曼定理可知，权场正比于雪崩区的厚度与，权场正比于雪崩区的厚度与漂移漂移区区厚度之比。厚度之比。FTM探测器增益较低，权场变弱以至于感应信号变得更弱。探测器增益较低，权场变弱以至于感应信号变得更弱。23
