1、弧形THGEM探测器多路直流模式读出研究陈石中国科学院大学第三届全国微结构气体探测器研讨会2012Outline1.背景简介2.一维弧形无像差THGEM探测器3.实验布置4.实验结果及进展1.1 多路读出粉末晶体的粉末晶体的X射线衍射实验示意图射线衍射实验示意图单色的X 射线以一定角度射向粉晶样品，会形成一系列衍射线，所有衍射线在空间中形成张角不同的圆锥面。衍射圆锥面的中心角与晶体面间距相关，通过测量衍射图样可以研究晶体结构。左图为北京同步辐射装置(BSRF)漫散射站使用的五圆衍射仪，使用单路读出探测器进行逐点扫描测量空间衍射线，角分辨率好但测量速度较慢。采用多路读出多路读出探测器可以节省测量
2、时间。采用平板结构的探测器测量X衍射线时会产生像差，对测量精度（角分辨率）带来影响左图为像差产生示意图，深色部分是平板探测器探测灵敏区。测量斜射的衍射线时，X射线电离可能发生在经过路径的任何一点上，电离位置的不确定性造成了位置测量的误差，即像差。使用探测器灵敏区域始终垂直于衍射线的探测器可以消除像差影响，如一维弧一维弧形形探测器Parallax error,s.d.Pinto NSS/MIC,2009 IEEE1.2 弧形无像差1.3直流模式BSRF的同步辐射光 时间结构呈周期性 强度相对稳定同时衍射实验测量的是累积效应BSRF时间结构时间结构如左图所示，BSRF束流的时间宽度200ps，周期
3、约2ns如果采用脉冲模式进行测量，对电子学要求高，实现较难针对同步辐射衍射实验，提出一种读出一定时间读出一定时间周周期期内的内的累积累积电荷信号电荷信号，即电流信号的读出方式直流模式直流模式。实现较容易Outline1.背景简介2.一维弧形无像差THGEM探测器 2.1性能指标与方案选择 2.2探测器腔室 2.3读出电子学 2.4探测系统结构3.实验布置4.实验结果及进展根据上述几点讨论，我们提出一种多路直流模式读出的弧形无像差探测器用于同步辐射衍射实验。探测器设计指标由北京同步辐射漫散射组提出 半径:20cm,接收角度：48 角分辨：0.2 多路读出：考虑到电子学读出路数限制，我们选择较容易
4、实现的一维弧形读出方案。探测器选择：THGEM具有造价相对低廉、抗辐射能力强、探测器增益可调以适应不同光强（单层THGEM的气体增益可以在1104的范围内调节）的特点，同步辐射上使用THGEM具有一定优势 2.1 性能指标与方案选择直流模式读出的一维弧形直流模式读出的一维弧形THGEM探测器探测器(探测器腔室、读出电子学)782.2探测器腔室探测器选用探测器选用自制自制Thinner-THGEM。与标准与标准THGEM相比，自制相比，自制200m厚度厚度Thinner-THGEM具有具有易于弯曲易于弯曲的特点的特点，可以实现弧形无像差设计。，可以实现弧形无像差设计。THGEM板的弯曲定型通过三
5、个有机板的弯曲定型通过三个有机玻璃模块连接而成的探测器腔室完成。玻璃模块连接而成的探测器腔室完成。2.3读出电子学多路阳极读出根据设计要求，探测器张角=48，角分辨0.2设计320路读出，每路覆盖0.15角由探测器距衍射样品距离20cm计算可得，0.15角对应阳极读出条间距为0.52mm。设计读出条宽0.4mm，间隔0.1mm读出条高1.6cm.32路弱电流读出模块：读出pA级电流最大量程900nA采样率1kHz2.4探测系统结构阳极电流信号用排线引出，由弱电流读出模块进行AD转换，FPGA模块将电流读出板输出的高速数字信号采集整合成数据包后，由MCU控制经以太网发送到计算机。屏蔽室内：X光源
6、、探测器屏蔽室外：气瓶、高压插件、计算机探测器工作气体：Ne95%+CH4 5%3.实验布置使用搭建完成的探测系统测量X光实验布置如图：Outline1.背景简介2.一维弧形无像差探测器3.实验布置4.实验结果及进展 4.1 在BSRF生物大分子组X光机上测量 4.2 在国科大实验室X光机上测量 4.3 在同步辐射上筹备工作4.1在BSRF生物大分子组X光机上测量 BSRF生物大分子组Rigaku-007 X射线发生器上测试(107光子/秒)32路直流读出：直通光测量角分辨测量直通光测量dVdV(Volt)(Volt)350350360360370370380380390390Current(
7、Current(pApA)-11896.4-15713.3-19865.2-25326.9-32433.2dVdV(Volt)(Volt)400400410410420420430430440440Current(Current(pApA)-40916.7-51457.1-64797.5-82917.2-103448探测器在强流探测器在强流(107光子光子/秒秒)下工作正常下工作正常，信噪比约3：1打开X光机快门曝光数秒数秒，关闭快门，对整个过程取数得到单通道波形单通道波形如下（横轴为开始取数后时间，单位ms）。强流（强流（107107）下）下THGEMTHGEM探测器电压改变探测器电压改变9
8、0V90V，电流信号变化约一个数量级，电流信号变化约一个数量级,从从10nA10nA变化到变化到100nA100nA。（同步辐射衍射线强度与之相当，可作为参考）对快门打开期间的每一路电流信号取平均，相加得到多路信号总合。改变探测器工作电压（改变增益）多次测量，结果如下准直器X光机(Cu target 8 keV)空间分辨率:0.5条宽 0.25mm角分辨率:0.07 弧形腔室 advantage:parallax error free角分辨测量X光通过狭缝后进入弧形腔室，得到电流信号在读出条上的分布对分布求高斯拟合，得到：Pad编号电流(pA)实验室购置的实验室购置的Cu靶靶(8keV)X光管
9、上光管上测试测试128路直流读路直流读出出探测器距离探测器距离X光管光管6cm4.2在中国科学院大学实验室X光机上测量图上：不加狭缝，测量128路工作情况 图下：探测器前加狭缝后信号探测器探测器128路读出路读出工作正常工作正常覆盖角度覆盖角度 19.2 实验表明探测系统在实验室X光机上工作良好，下一步进行在同步辐射上的实验4.3 在同步辐射上筹备工作1.粉晶衍射实验分透射式与反射式两种方案，透射式方案要求样品厚度较薄。制作的厚度0.2mm的TiO2样片2.用逐点扫描法测量所制TiO2衍射图样作为参考3.在BSRF漫散射站上做了几何布置以及环境噪音的测量 4.12月中旬将在BSRF兼用光模式下测量1.探测器在强流(107光子/秒)下工作正常，THGEM探测器电压改变90V，电流信号变化约一个数量级,从10nA变化到100nA2.128路电流读出电子学工作正常，覆盖角度 19.2 3.制作了同步辐射上衍射测量用TiO2粉晶样品4.在BSRF漫散射站上做了几何布置以及环境噪音的测量，12月中旬将在BSRF兼容模式下测量总结Thank you！系统噪声给探测器加高压，无X光源时系统噪声峰-峰值约40pA
