高分辨GEM探測(cè)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(xué)家F.Sauli首次提出了一種在氣體介質(zhì)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(cè)器稱為GEM探測(cè)器。典型的GEM結(jié)構(gòu)是在兩邊鍍銅的聚乙烯薄膜(Kapton)上，用化學(xué)蝕刻技術(shù)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(chǎn)生lO4V/cm以上的電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)電子在電場(chǎng)作用下經(jīng)過小

2、孔時(shí)與氣體分子發(fā)生碰撞和電離產(chǎn)生多個(gè)次級(jí)電子，通過氣體雪崩放大過程實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yù)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(cè)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)和計(jì)數(shù)能力，以及增益穩(wěn)定性，使用兩層GEM，氣體放大倍數(shù)可以達(dá)到104以上，配合微型電極條讀出，可以制作成不

3、對(duì)稱型氣體探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是：與多絲正比室相比，它不用通常的金屬絲布局來構(gòu)成電場(chǎng)區(qū)，可以有效減小氣隙和空間電荷效應(yīng)；與微條氣體室相比，不會(huì)由于絕緣支撐造成在高技術(shù)率情況下的局部電場(chǎng)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(shù)達(dá)到106，在許多射線測(cè)量場(chǎng)合，將能替代笨重且價(jià)格昂貴的光電倍增管；此外.GEM質(zhì)置輕，可以加工成較大的尺寸和各種形

4、狀。GEM探測(cè)器這些特點(diǎn)，使得它不僅是一種獨(dú)具特色的新型粒子徑跡探測(cè)器，同時(shí)也將是第三代同步輻射光源實(shí)驗(yàn)，醫(yī)用CT診斷，X射線晶體學(xué)等領(lǐng)域很具潛力的成像探測(cè)器。以醫(yī)學(xué)影像診斷中廣泛使用的X-CT為例，如利用GEM-X射線探測(cè)器具有的高靈敏度和快時(shí)間響應(yīng)的特點(diǎn)，可以將光束準(zhǔn)直成微米置級(jí)進(jìn)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(jīng)提出，就引起了廣泛重視，國(guó)外許多科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)先后開展了

5、對(duì)多種不對(duì)稱型GEM+MWPC.GEM+MSGC，雙層GEM探測(cè)器，三層GEM探測(cè)器的原理性實(shí)驗(yàn)。為解決GEM高分辨讀出的需要，開展了各種讀出電子學(xué)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(xué)集成在一起的集成芯片直接讀出等。同時(shí)，這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也表明：GEM探測(cè)器的應(yīng)用和推廣存在一些基本理論和技術(shù)問題需要解決，如GEM構(gòu)型與電子倍增系數(shù)的關(guān)系；GEM材料電阻率與增益穩(wěn)定性的關(guān)系

6、；不同工作氣體和GEM工作電壓對(duì)倍增系數(shù)的影響。在高能物理實(shí)驗(yàn)中，由于探測(cè)面積大，讀出路數(shù)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(guān)鍵問題。在成像應(yīng)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(xué)系統(tǒng)費(fèi)用，在過去幾十年中多用于多絲室信號(hào)讀出，但是由于技術(shù)原因，以前的延遲線本身由金屬導(dǎo)線繞制而成。這種延遲線占用空間很大，分布參數(shù)難以準(zhǔn)確控制。它

7、的延遲時(shí)間和頻率響應(yīng)取決于導(dǎo)線特性以及繞制時(shí)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(shí)間和帶寬性能受到很大限制，使得探測(cè)器的空間分辨能力以及計(jì)數(shù)率受到很大影響。近年來，隨著電子技術(shù)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(jù)延遲線的等效電路模型來構(gòu)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(jié)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(jù)需要選用不同參數(shù)的電阻電容，以獲得想要

8、的單位延遲時(shí)間和帶寬。由于集中元件的參數(shù)非常精確，使得延遲線的每個(gè)單元延時(shí)精確，因此應(yīng)用這種新型的延遲線讀出可以得到好的時(shí)間分辨和空間分辨。
　　 在該論文研究期間，本人設(shè)計(jì)研制了兩套GEM探測(cè)系統(tǒng)原型，第一套系統(tǒng)以雙層GEM探測(cè)器為基礎(chǔ)，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(hào)，下層讀出條通過感應(yīng)上層讀出條的信號(hào)而輸出感應(yīng)信號(hào)。經(jīng)過測(cè)

9、試，該探測(cè)器的性能指標(biāo)如下：
　　 ·探測(cè)器的有效面積：100mm×100mm;
　　 ·氣體放大倍數(shù)：5×104；
　　 ·計(jì)數(shù)率能力：≥105/mm2.s;
　　 ·位置分辨能力：　　 ·增益穩(wěn)定性：連續(xù)測(cè)量?jī)芍茉鲆孀兓?3％。以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開展了GEM微電極結(jié)構(gòu)和讀出方法的研究，并建立了一臺(tái)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(cè)器為基礎(chǔ)的射線探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)性能指標(biāo)跟第一套系統(tǒng)大致相同，由于采用了三層GEM薄膜，探測(cè)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(chǔ)，我們開展了使用延遲線讀出的GEM探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)和模擬研究。研究不同電極參數(shù)和延遲線參數(shù)的信號(hào)傳輸特性，給出實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果，并研制多種高時(shí)間分辨的延遲線讀出線路板。在此基礎(chǔ)上，我們研制一臺(tái)基于延遲線重建方法的X射線成像裝置原型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的位置分辨能力好與160um。
　　 在對(duì)

11、GEM及其相關(guān)的讀出方法進(jìn)行的研究中，我所做的主要工作如下：
　　 1.計(jì)算了不同幾何構(gòu)型的GEM薄膜在正常工作電壓下的內(nèi)部電場(chǎng)分布與電場(chǎng)線透過率，建立了一套完整的靜電場(chǎng)計(jì)算方法。電場(chǎng)線的透過率直接從靜電學(xué)的角度反應(yīng)了GEM電極的幾何構(gòu)型對(duì)電荷傳輸?shù)挠绊?，根?jù)有限元方法計(jì)算得到的GEM三維電場(chǎng)分布能夠全面反應(yīng)GEM的實(shí)際電場(chǎng)分布，根據(jù)得到的場(chǎng)強(qiáng)分布可以進(jìn)一步模擬GEM探測(cè)器的雪崩放大過程和電荷傳輸過程。
　　 2.建立了

12、測(cè)試裝置，測(cè)量了雙層GEM探測(cè)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(cè)量了長(zhǎng)時(shí)間工作情況下，該探測(cè)器有效增益的變化情況，并且測(cè)量了長(zhǎng)時(shí)間工作情況下，該探測(cè)器有效增益的變化情況。測(cè)量結(jié)果表明，該雙層GEM探測(cè)器的有效增益能達(dá)到104左右，通過使用X射線管對(duì)GEM進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，證明GEM探測(cè)器工作穩(wěn)定，效增益變化小于3％。以該探測(cè)器為基礎(chǔ)，建立了一套使用重心重建方法的X射線成像系統(tǒng)，測(cè)量獲得了清晰的圖像。
　　

13、3.研制完成了一個(gè)基于三層GEM探測(cè)器配合延遲線讀出的X射線成像系統(tǒng)，并以之為基礎(chǔ)，仔細(xì)研究了重建方法。經(jīng)過對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)的以及信號(hào)傳輸方面的研究，總結(jié)出了一套詳細(xì)的延遲線的設(shè)計(jì)方法，以及根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)GEM讀出PCB的設(shè)計(jì)與信號(hào)模擬的方法。實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，該方法設(shè)計(jì)的延遲線讀出系統(tǒng)準(zhǔn)確有效，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果符合得非常好。這種延遲線設(shè)計(jì)方法也可以擴(kuò)展到其他適合使用延遲線重建方法得探測(cè)器上。在此基礎(chǔ)上，為BNL/STAR實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了