高分辨GEM探測器及讀出方法研究.pdf

1、1997年，西歐粒子物理研究中心(CERN)的物理學家F.Sauli首次提出了一種在氣體介質中電子倍增的新模式：Gas Electron Multiplier(GEM).并把GEM制作的高速粒子徑跡探測器稱為GEM探測器。典型的GEM結構是在兩邊鍍銅的聚乙烯薄膜(Kapton)上，用化學蝕刻技術將其腐蝕出許多等間距的小孔，孔的中心部分直徑在50um～80um，加上一定的電壓后可以產生lO4V/cm以上的電場強度。當電子在電場作用下經過小

2、孔時與氣體分子發(fā)生碰撞和電離產生多個次級電子，通過氣體雪崩放大過程實現(xiàn)對原初電子的倍增。
　　 在普通的多絲正比室(MWPC)或者微條氣體室(MSCC)中，插入一片GEM薄膜，可以把原初電離預放大102～10a倍，使MWPC(或MSGC)可以工作在較低的增益區(qū)，從而有效降低陽極絲附近的正離子云的密度，提高探測系統(tǒng)的時間響應和計數能力，以及增益穩(wěn)定性，使用兩層GEM，氣體放大倍數可以達到104以上，配合微型電極條讀出，可以制作成不

3、對稱型氣體探測器結構，其優(yōu)點是：與多絲正比室相比，它不用通常的金屬絲布局來構成電場區(qū)，可以有效減小氣隙和空間電荷效應；與微條氣體室相比，不會由于絕緣支撐造成在高技術率情況下的局部電場不穩(wěn)地；由于不存在陽極絲間距的限制，直接采用GEM微條電極讀出仍可以獲得很好的位置分辨（<100um）。若使用若干層GEM器件串接使其倍增系數達到106，在許多射線測量場合，將能替代笨重且價格昂貴的光電倍增管；此外.GEM質置輕，可以加工成較大的尺寸和各種形

4、狀。GEM探測器這些特點，使得它不僅是一種獨具特色的新型粒子徑跡探測器，同時也將是第三代同步輻射光源實驗，醫(yī)用CT診斷，X射線晶體學等領域很具潛力的成像探測器。以醫(yī)學影像診斷中廣泛使用的X-CT為例，如利用GEM-X射線探測器具有的高靈敏度和快時間響應的特點，可以將光束準直成微米置級進行斷層掃描，不僅可以獲得最佳的圖像反差，而且使病人受到的輻照劑量減小。
　　 GEM--經提出，就引起了廣泛重視，國外許多科研機構和大學先后開展了

5、對多種不對稱型GEM+MWPC.GEM+MSGC，雙層GEM探測器，三層GEM探測器的原理性實驗。為解決GEM高分辨讀出的需要，開展了各種讀出電子學和讀出方法研究，例如：HEXA讀出，高分辯的延遲線讀出，采用集成芯片的重心讀出，使用讀出電極與讀出電子學集成在一起的集成芯片直接讀出等。同時，這些實驗的結果也表明：GEM探測器的應用和推廣存在一些基本理論和技術問題需要解決，如GEM構型與電子倍增系數的關系；GEM材料電阻率與增益穩(wěn)定性的關系

6、；不同工作氣體和GEM工作電壓對倍增系數的影響。在高能物理實驗中，由于探測面積大，讀出路數非常多，因此需要研制特殊的讀出電極及專用讀出電路，這是解決GEM高分辯讀出的關鍵問題。在成像應用方面，讀出方法多使用投影讀出，重建方法最常用的是重心法跟延遲線方法。延遲線重建方法可以大幅度降低讀出電子學系統(tǒng)費用，在過去幾十年中多用于多絲室信號讀出，但是由于技術原因，以前的延遲線本身由金屬導線繞制而成。這種延遲線占用空間很大，分布參數難以準確控制。它

7、的延遲時間和頻率響應取決于導線特性以及繞制時線與框架之間的寄生電容和電感，因此這種延遲線的單位延遲時間和帶寬性能受到很大限制，使得探測器的空間分辨能力以及計數率受到很大影響。近年來，隨著電子技術發(fā)展，各種高頻電感，電容元件出現(xiàn)，通過使用高頻電感電容元件，根據延遲線的等效電路模型來構建延遲線讀出線板成為一種有效的讀出方法。我們的研究結果顯示：這種用集總元件組成的延遲線讀出板，不但小巧靈活，而且可以根據需要選用不同參數的電阻電容，以獲得想要

8、的單位延遲時間和帶寬。由于集中元件的參數非常精確，使得延遲線的每個單元延時精確，因此應用這種新型的延遲線讀出可以得到好的時間分辨和空間分辨。
　　 在該論文研究期間，本人設計研制了兩套GEM探測系統(tǒng)原型，第一套系統(tǒng)以雙層GEM探測器為基礎，使用雙面PCB做為讀出電極讀出。該讀出PCB厚O,2mm，雙面都是讀出條，上下兩層的讀出條互相垂直，上層讀出條直接收集電子從而輸出信號，下層讀出條通過感應上層讀出條的信號而輸出感應信號。經過測

9、試，該探測器的性能指標如下：
　　 ·探測器的有效面積：100mm×100mm;
　　 ·氣體放大倍數：5×104；
　　 ·計數率能力：≥105/mm2.s;
　　 ·位置分辨能力：　　 ·增益穩(wěn)定性：連續(xù)測量兩周增益變化<3％。以該系統(tǒng)為基礎，開展了GEM微電極結構和讀出方法的研究，并建立了一臺基于重心重建方法的GEM-X射線成像裝置原型.
　　 第二套系統(tǒng)是以三層GE

10、M探測器為基礎的射線探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)性能指標跟第一套系統(tǒng)大致相同，由于采用了三層GEM薄膜，探測器的氣體增益比第一套系統(tǒng)要高。以第二套系統(tǒng)為基礎，我們開展了使用延遲線讀出的GEM探測器的實驗和模擬研究。研究不同電極參數和延遲線參數的信號傳輸特性，給出實驗和計算結果，并研制多種高時間分辨的延遲線讀出線路板。在此基礎上，我們研制一臺基于延遲線重建方法的X射線成像裝置原型，實驗結果表明，該系統(tǒng)的位置分辨能力好與160um。
　　 在對

11、GEM及其相關的讀出方法進行的研究中，我所做的主要工作如下：
　　 1.計算了不同幾何構型的GEM薄膜在正常工作電壓下的內部電場分布與電場線透過率，建立了一套完整的靜電場計算方法。電場線的透過率直接從靜電學的角度反應了GEM電極的幾何構型對電荷傳輸的影響，根據有限元方法計算得到的GEM三維電場分布能夠全面反應GEM的實際電場分布，根據得到的場強分布可以進一步模擬GEM探測器的雪崩放大過程和電荷傳輸過程。
　　 2.建立了

12、測試裝置，測量了雙層GEM探測器在不同工作氣體，不同工作電壓下的有效增益變化情況，并且測量了長時間工作情況下，該探測器有效增益的變化情況，并且測量了長時間工作情況下，該探測器有效增益的變化情況。測量結果表明，該雙層GEM探測器的有效增益能達到104左右，通過使用X射線管對GEM進行長時間測量，證明GEM探測器工作穩(wěn)定，效增益變化小于3％。以該探測器為基礎，建立了一套使用重心重建方法的X射線成像系統(tǒng)，測量獲得了清晰的圖像。
　　

13、3.研制完成了一個基于三層GEM探測器配合延遲線讀出的X射線成像系統(tǒng)，并以之為基礎，仔細研究了重建方法。經過對探測器輸出信號的以及信號傳輸方面的研究，總結出了一套詳細的延遲線的設計方法，以及根據實驗要求，對GEM讀出PCB的設計與信號模擬的方法。實驗測量表明，該方法設計的延遲線讀出系統(tǒng)準確有效，模擬結果與實驗測量結果符合得非常好。這種延遲線設計方法也可以擴展到其他適合使用延遲線重建方法得探測器上。在此基礎上，為BNL/STAR實驗設計了