1、PICOSEC Micromegas探测器的研究进展王旭核探测与核电子学国家重点实验室，中国科学技术大学第九届先进气体探测器研讨会12022-7-25 目录王旭第九届先进气体探测器研讨会2背景介绍基于DLC的光阴极研究PICOSEC MM探测器的研究总结基于微结构气体基于微结构气体探测器的高时间探测器的高时间分辨探测器分辨探测器 研究背景王旭第九届先进气体探测器研讨会3PID techniques:Alternatives to RICH methods,J.Vavra,NIMA 876(2017)185-193.堆积效应显著高计数率能力高计数率能力强抗辐照能力强抗辐照能力高高颗粒颗粒度度高能
2、量高能量高亮度高亮度研究方向研究方向实验需求实验需求高时间分辨高时间分辨 研究介绍王旭第九届先进气体探测器研讨会4PICOSEC Micromegas探测器探测器原理示意图“PICOSEC:Charged particle timing at sub-25 picosecond precision with a Micromegas based detector”,J.Bortfeldt et.al.NIM A,2018光阴极研究 耐用型/CsI光阴极寿命探测器研究 多阳极/大面积时间分辨：24 ps 150GeV muon取得的成果深入研究方向研究目标高计数率、抗辐照、高颗粒度的新型高时间分
3、辨的Micromegas探测器CsI光阴极存在脆弱性、辐照损伤的问题 光阴极的研究王旭第九届先进气体探测器研讨会5CsICsI光阴极的保光阴极的保护护替代替代光阴极光阴极New detector structure:Double mesh MicromegasCsI with protection layer:LiF,MgF2Pure metallic:Al,CrDiamond-Like Carbon(DLC)Diamond&secondary emitter 光阴光阴极的研究极的研究已经取得很好的结果：已经取得很好的结果：耐用性强：空气环境、离子轰击等使用DLC光阴极的PICOSEC MM探
4、测器具有很好的性能：42 ps150GeV muon，97%的探测效率 DLC光阴极的老化测试王旭第九届先进气体探测器研讨会6光阴极的老化测试系统与原理图 紫外光源：波长为213nm高强度激光器 光源强度P(t)：激光光功率计 探测器阴极上产生的电流I(t)：皮安表（记录反馈离子在光阴极山产生的电流）DLC光阴极的老化测试王旭第九届先进气体探测器研讨会7纵坐标：DLC光阴极的量子效率性能表征初步结果：当光阴极表面积累电荷达到100mC/cm2，性能仍然没有下降CsI光阴极的典型值:几mC/cm2两次束流实验，相同方法，不同探测器空气环境中保存几个月，两次束流实验，性能没有变差Anode/Dri
5、ft Voltage(V)Time resolution(ps)Aug.Oct.250/-5504537275/-5254738275/-5504234300/-5004839300/-5254334同一个光阴极的两次束流实验PreliminaryDLC光阴极的老化研究激光测试结果 光阴极的优化研究王旭第九届先进气体探测器研讨会8研究方向1.通过掺杂改善能带结构2.优化DLC材料中的sp3和sp2的比值3.降低材料表面亲和势P型掺杂表面处理镀膜工艺形成P型半导体，使用B靶或B4C靶sp3含量影响QE性能，镀膜工艺影响sp3的含量氢等离子体轰击，降低表面亲和势，形成负电子亲和势 B掺杂量，如何掺
6、杂 厚度优化 镀膜方法：脉冲激光沉积(PLD)、真空阴极电荷放电沉积 H等离子体表面处理 基于磁控溅射的含硼光阴极王旭第九届先进气体探测器研讨会9纯纯B B4 4C C靶靶纯纯C C靶靶镀膜样品腔与磁控溅射的靶材光阴极材料光阴极材料厚度厚度镀膜时真空度镀膜时真空度B4C3nm1E-5 TorrB4C10nm1E-5 TorrB4C10nm3E-7 TorrB4C20nm1E-5 TorrC+B4C3nm DLC+10nmB4C1E-5 TorrC+B4C3nm DLC+3nmB4C1E-5 Torr制备不同条件的样品State Key Laboratory of Solid Lubricati
7、on,Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Science B4C样品测试结果王旭第九届先进气体探测器研讨会10方法一：铜板直接收集光电子，测电流方法二：MCP探测器测光电子的计数两种方法给出的结果一致两种方法测量量子效率的比较B4C样品与DLC样品的比较（MCP测计数法）10nm厚的厚的B4C具有最优的量子效率，相比于DLC最好的结果，有了很大的提升QE测试基于西安西安光机所系统，详见backup 基于脉冲激光沉积的光阴极王旭第九届先进气体探测器研讨会11镀膜系统与镀膜原理图 脉冲激光沉积的靶材纯石墨靶硼靶与石墨靶组
8、合B靶靶C靶靶光阴极材料光阴极材料厚度厚度镀膜时真空度镀膜时真空度PLD-DLC3nm5E-4 PaPLD-DLC10nm5E-4 PaB2C610nm5E-4 PaB4C410nm5E-4 PaB6C210nm5E-4 PaB1C710nm1.3E-4 PaB1C410nm1.3E-4 PaB2C310nm1.3E-4 Pa制备不同条件的样品对不同样品进行量子效率测试，并与磁控溅射的纯DLC样品对比State Key Laboratory of Solid Lubrication,Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of
9、 Science PLD样品测试结果王旭第九届先进气体探测器研讨会12磁控溅射与脉冲激光沉积制备的相同厚度的纯DLC比较两种工艺均使用纯的石墨作为靶材脉冲激光制备的样品sp3含量较高脉冲激光沉积比磁控溅射的性能要高15%含B的PLD样品与最好的纯DLC样品比较掺硼能显著改善量子效率B和C的比值为1：3时，目前最优其他样品（不同硼碳比，高真空）待测QE测试基于西安西安光机所系统，详见backup 基于ASSET的量子效率测试王旭第九届先进气体探测器研讨会13MgF2photocathodeGridUV light+HVPicoammeter5 mm透射式光阴极量子效率测试原理图紫外光源：Mcph
10、erson真空紫外单色仪系统光电子逸出电场：300V/5mm光电流测量：皮安表（从光阴极上）入射光强度：标定的紫外PMT光电子测量：皮安表，直接测光电流多种方式测量透射式、反射式、辐照老化测试；自动化程度高；分光，实时监测刻度局限：光强较弱，光路校准差CERN RD51 GDD Lab ASSET系统 ASSET-CsI光阴极测试王旭第九届先进气体探测器研讨会14透射式CsI光阴极测量结果（三次测量）样品制作工艺与束流实验中使用的一致 量子效率：3.4%160 nm 另外一个同一批的样品，一周后测试，结果与之一致，仅仅是性能差了一点（15%）ASSET-DLC光阴极测试王旭第九届先进气体探测器
11、研讨会152018年制备的DLC光阴极测试结果空气中存放一年多后，光阴极仍能够较好的工作，具有好的性能各个光阴极的相对结果与束流实验保持一致基于DLC的量子效率，相比于碘化铯，还需要进一步提升Thickness of DLC film(nm)Npe/per muonDetection efficiency for muons1BadBad2.53.797%53.494%7.52.270%101.768%2018年8月束流实验-DLC光阴极 真空紫外测试系统搭建王旭第九届先进气体探测器研讨会16Mcpherson 真空紫外系统,120 nm-250 nm透射式、反射式光阴极的量子效率测量、材料的
12、透过率等测试光斑大小可调，光强可调，光束准直，5%/95%紫外分光光强测试：NIST标定的PD/紫外PMT光电子测量：计数测量，电子探测器光电流测量，皮安表直接读取电流预计本学年度完成初步搭建为了更加方便、准确、快捷的研究光阴极，在USTC搭建一套系统 PICOSEC MM探测器研究王旭第九届先进气体探测器研讨会17单阳极（2016/2017）多阳极（2017/2018）下一步辐射体：100mm的MgF2光阴极：大面积DLC薄膜/CsI薄膜丝网：热压接工艺MM7个正六边形读出pad流气式辐射体：105*105mm的MgF2光阴极：透射式CsI丝网：Bulk工艺MM1cm2的读出pad密闭式，可
13、拓展真空封装研究研究方向：探测器均匀性、大面积光阴极、气体封装等24 ps 150GeV muon36 ps 150GeV muon信号分布在3个读出阳极上 总结王旭第九届先进气体探测器研讨会18 基于DLC的光阴极研究 掺硼光阴极：纯B4C和掺B的PLD样品量子效率均比2018年的最好的DLC要高 基于PLD的样品，性能比磁控溅射的样品提升15%左右 老化实验验证DLC光阴极具有很好的耐用性，100mC/cm2的离子轰击，没有观察到性能的下降 搭建真空紫外的量子效率测试系统 PICOSEC MM探测器 进行大面积探测器的研究：流气式、密闭式，大面积光阴极，气隙均匀性，真空封装等 PICOSE
14、C Collaboration王旭第九届先进气体探测器研讨会19CEA Saclay(France):D.Desforge,I.Giomataris,T.Gustavsson,C.Guyot,F.J.Iguaz,M.Kebbiri,P.Legou,O.Maillard,T.Papaevangelou,M.Pomorski,P.Schwemling,L.Sohl.CERN(Switzerland):J.Bortfeldt,F.Brunbauer,C.David,J.Frachi,M.Lupberger,H.Mller,E.Oliveri,F.Resnati,L.Ropelewski,T.Schn
15、eider,P.Thuiner,M.van Stenis,P.Thuiner,R.Veenhof,S.White.USTC(China):J.Liu,B.Qi,X.Wang,Z.Zhang,Y.Zhou.AUTH(Greece):K.Kordas,I.Maniatis,I.Manthos,V.Niaouris,K.Paraschou,D.Sampsonidis,S.E.Tzamarias.NCSR(Greece):G.Fanourakis.NTUA(Greece):Y.Tsipolitis.LIP(Portugal):M.Gallinaro.HIP(FINLAND):F.Garca.IGFAE(Spain):D.Gonzlez-Daz.王旭第九届先进气体探测器研讨会20Backup 西光所的QE测试王旭第九届先进气体探测器研讨会21入射光强度：标定的PD光电子测量：MCP探测器，计数测量方便易得，便于快速测量；光电子放大测量局限：没有分光，不能实时监测光强的变化西安光机所 真空紫外测试系统透射式光阴极量子效率测试原理图第1步：紫外光照射光阴极，MCP探测器测量产生的光电子计数，或者铜电极收集光电子第2步：同一位置，更换探测器，测量紫外光强度MCP探测器/铜电极E紫外光PD探测器紫外光光阴极2nd1st
