基于THGEM与CCD光读出成像探测器研究

发布时间：2020-05-12 21:07

【摘要】：近几年,国产 THGEM(Thick Gaseous Electron Multiplier,厚型气体电子倍增器)在制作工艺和性能研究等方面取得了长足的进展,THGEM在粒子物理实验和成像应用也得到了较好的发展。就探测器的电荷读出方式而言,为了实现精细的成像,除了要求探测器本身拥有较高位置分辨,还要求读出电子学具有高密度多路读出能力,而国内针对于MPGD(Micro-Pattern Gaseous Detector,微结构气体探测器)读出芯片的研究才刚起步不久,仍是基于MPGD应用的瓶颈和短板。电子在THGEM微孔中发生雪崩效应产生大量雪崩电子的同时,还会伴随着大量的雪崩发光,因此,除了电荷感应读出外,还可能利用雪崩发光进行读出。本课题旨在基于国产THGEM和普通科研级CCD(Charge-coupled Device,电荷耦合器件)相机光学读出研制出位置分辨较好的成像探测器,位置分辨达到0.5mm以上。为此制作了灵敏面积为60×60mm2的X射线成像探测器模型,并成功完成了实物样品的光学读出二维成像,得到了多项成像样例。测试了该探测器相对光产额随增益的变化曲线,使用双狭缝和刀片法对探测器位置分辨能力进行了测量,结果好于275μm。以上成果表明该探测器具有良好的光读出成像能力,并在大面积成像方面的应用有着巨大的潜力。为获得稳定高增益的THGEM,提高雪崩光产额,本文基于国内PCB厂家研制了八种不同配比的FR-4(环氧树脂与玻璃纤维的复合材料)基材THGEM,除基材外,其它结构尺寸均相同。对它们的耐压、增益、能量分辨等方面的性能进行了测试和分析对比,最终挑选出综合性能最优的新FR-4基材THGEM。利用此新FR4基材研制了多层 THGEM(Multi-layer THGEM,M-THGEM)。其中单片双层M-THGEM膜在绿色气体Ar+CO2 = 90:10中的增益可以很轻松达到1.0×104,并能长期稳定工作,可应用于光学读出。此外,本文研制了 THGEM快速测试系统,对THGEM性能测试的换气方式进行了改进,搭建了快速换气系统,该系统可实现对100 × 100mm2及以下有效面积的THGEM探测器的快速换气,相比传统方法换气所需的2～10小时(由探测器腔室大小决定),使用该系统置换气体仅需10分钟左右,并且可达到比传统方法更好的换气效果。
【图文】：

微孔结构

发展比较成熟的微结构气体探测器，其位置和能量分辨大面积制作，已被成功推广应用于径迹探测、中子探物理实验等领域。逡逑为ＧＥＭ非常薄（整板厚度约为７０ｐｍ），容易出现打ＧＥＭ的结构特点，Ａ．Ｂｒｅｓｋｉｎ等在２００４年提出并发（即ＴＨＧＥＭ）。ＴＨＧＥＭ的制作采用了标准的印刷电路（或激光打孔）和蚀刻技术，其工作原理和物理结构与理尺寸可放大至ＧＥＭ的５－２０倍然而，通常ＴＨＧＥ．１５ｍｍ－１．２ｍｍ之间，孔径大小一般与厚度一致，孔间，利用蚀刻工艺给ＴＨＧＥＭ的微孔增加了邋ｒｉｍ邋（边缘），放电，并且显著地提高了探测器的增益性能［１９］，图为孔结构图。本文中涉及的ＴＨＧＥＭ膜厚度都为０．２ｍｍ，［２Ｑ，，２１］。逡逑

发光过程,雪崩,单层

薄型邋ＴＨＧＥＭ［２Ｑ，２１］。逡逑ｌｙｉｒｙｗｉ逡逑图１－１邋ＴＨＧＥＭ微孔结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｍｉｃｒｏｐｏｒｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＴＨＧＥＭ逡逑ＴＨＧＥＭ通常采用成本较低的ＦＲ－４为制作基材，ＦＲ－４邋（—种环氧玻璃布层逡逑压板）是一种常用于制造ＰＣＢ的材料，它具有良好的电气性能，尤其体现在耐逡逑燃性、绝缘性和良好的机械加工能力等方面，因此ＴＨＧＥＭ比ＧＥＭ更加坚固，逡逑不易损坏，清洁程度要求低，利于保养，优良的耐打火性利于重复使用，而且逡逑造价也更加便宜。虽然在位置分辨方面ＴＨＧＥＭ比标准ＧＥＭ稍逊一筹，但是逡逑基于成熟的ＰＣＢ加工工艺，ＴＨＧＥＭ易于大面积制作，能满足一些对位置分辨逡逑要求不高，却需要大面积、快辐射成像实验的要求。随着对ＴＨＧＥＭ性能优化逡逑工作的不断深入
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O572.212

【参考文献】