10 cm×10 cm Bulk Micromegas探测器的研制

李沛玉，周 静，陈 雷，赵明锐，智 宇，刘雯迪，贾世海，张昀昱，胡守扬，于伟翔，李笑梅

(中国原子能科学研究院 核数据重点实验室，北京 102413)

作为一种新型的气体探测器，Micromegas于1996年由Giomataris等[1]首先研制，Micromegas探测器是微结构气体探测器(micro-pattern gas detector，MPGD)一个重要的研究方向，是目前最先进的气体探测器之一。它具有位置分辨优异(几十μm量级)、时间分辨良好(几ns级别)、性能稳定和耐辐照性能好等特点，能在很高的计数率条件下工作，尤其适合用于高亮度环境，近年来在国际上得到迅速发展。与多丝正比室和漂移室相比，Micromegas探测器具有更好的计数率和抗辐照能力。

Micromegas主要由3部分组成[2]：漂移极、栅极和阳极(读出电极)。漂移级和阳极一般使用印刷电路板制成，栅极一般使用丝网等高透过率的材料构成，处于漂移极和阳极之间，将探测器分为漂移转换区和雪崩放大区两部分。漂移区根据需要一般设定为几到十几mm的高度，雪崩区一般为几十到几百μm不等。雪崩区的电场强度远大于漂移区的电场强度，因此粒子在进入探测器后首先在漂移区电离出少量电子和离子，随后由于电场作用，电子和离子分别飘向栅极和阴极。电子会在穿过栅极后在雪崩放大区进行雪崩倍增，产生更多的电子和离子分别飘向读出电极和栅极的丝网，同时在读出电极和栅极上产生脉冲信号。

根据制作方式的不同，将Micromegas分为不同的种类。最初发明使用鱼线或石英作为支撑[3]的Micromegas，还有使用热熔胶作为支撑[4]的Micromegas等。随着印刷电路板(PCB)工艺的发展，在传统的Micromegas探测器基础上，新一代使用光蚀刻一体化技术制作[5]成的Bulk Micromegas、覆盖阻性层的Micromegas[6]，以及CERN生产的使用聚酰亚胺覆铜膜通过蚀刻制成的Microbulk Micromegas[7]逐步发展起来。

Bulk Micromegas探测器主要利用光蚀刻技术，在构成阳极的印刷电路板上用一种感光膜蚀刻出一些分布均匀的支柱支撑丝网，形成厚度为128 μm的雪崩放大区，同时在雪崩区上方约10 mm处固定漂移极。由于使用了光蚀刻一体化技术，保证了整个雪崩放大区厚度均匀一致，Bulk Micromegas具有更好的增益均匀性、优秀的位置和能量分辨率。本文自主研发探测器制作的关键设备，对有效面积为10 cm×10 cm的Bulk Micromegas探测器进行研制和测试，同时绘制X射线的二维事件分布图。

1 Bulk Micromegas 探测器制作

Bulk工艺制作Micromegas探测器的流程为：读出电极制作、拉伸丝网、覆感光膜、曝光、蚀刻、清洗和测试。每个环节都十分重要，其中对丝网拉伸的平整度、覆膜的均匀性以及曝光的精确度的要求较高，为此设计了专用拉网机和专用覆膜机。

进行读出电极设计时，目前采用条读出，将面积为10 cm×10 cm的读出区域划分为128条，每个读出条设计为图1a所示的图形，x方向和y方向上各有64个读出条，y方向读出条由各小区域通过过孔连接成条状，通过计算使x方向和y方向读出条的面积相等。当电子打在读出条上，x、y方向上应各有至少1道出现信号，以此确定粒子位置。之后考虑到过孔对各读出条面积的影响，又设计了图1b所示的读出条。在最初设计读出电极时，由于考虑到了覆铜区域与无覆铜的绿油区域存在高低差，为保证丝网的平整性，设计时在读出电极的覆铜区域外额外添加了1圈接地覆铜区域，作为丝网的固定区域，如图1b所示。在读出电极板制作完成后，经过清洗放入洁净间，待其他准备工作完成后进行探测器的制作。

a——读出条形状示意图(黄色为覆铜区域，白色为FR4)；b——接地区域设计示意图(黑色区域为绝缘涂层)图1 读出电极有效区域设计示意图Fig.1 Design schematic of readout electrode effective area

因感光膜仅需将支柱和外部支撑部分保留，因此制作探测器前需设计掩膜板控制感光膜曝光位置，并通过绘制掩膜板设计丝网支柱的尺寸。支柱的直径过小可能导致无法将丝网支撑平整，加电场后丝网会产生凹陷，影响雪崩区电场，而支柱直径过大也会导致探测器死区过大，影响探测器探测效率。

设计工作完成后便可开始处理将作为探测器栅极的不锈钢丝网，一般使用400目的不锈钢丝网，将丝网按照拉网机的尺寸剪裁好，并将其固定在与读出电极同样尺寸的钢框上，钢框厚度需设计为小于读出电极厚度，才能保证后续覆膜时更成功。采用合适的拉力将不锈钢丝网拉直，使用的拉力过小后可能会导致丝网不够平整，制作成探测器后电场均匀性不佳而影响探测器性能，也可能导致有些部位的丝网与读出电极接触太近以致频繁打火。拉力稳定后便可使用胶水将丝网固定在钢框上，如图2所示，并且尽量涂抹平整，减少胶水中的气泡。静置一段时间至丝网固定稳定即可拆下，清洗后放入洁净间备用。

图2 拉伸不锈钢丝网Fig.2 Stretched stainless steel wire mesh

全部准备工作完成后进入洁净间，将感光膜固定在覆膜机上，开始对读出电极进行覆膜。在对读出电极进行覆膜时需注意将读出电极水平放置，缓慢匀速通过滚筒，同时要保证感光膜的平整度，防止感光膜进入滚筒时出现褶皱。读出电极区域的感光膜出现褶皱会导致丝网覆盖不平，影响探测器雪崩区的电场均匀性。在读出电极上覆盖两层感光膜后将丝网贴在其上，并覆盖最后1层感光膜对丝网进行固定。

之后对覆盖好感光膜和丝网的读出电极进行曝光，曝光时间过短会造成曝光不充分，而曝光时间过长又会导致光刻胶内更大的分散，造成光刻胶下表面和上表面直径不再相同，精确的图像转移失败。因此精确掌握曝光时间是保证图像转移准确性的一个重要因素。通过蚀刻洗掉多余的感光膜，留下支撑丝网的支柱。确保多余的感光膜和丝网去除干净后，首先使用皮安表对丝网和读出电极间的总电阻进行测试，该测试也能避免丝网和读出电极或地线之间短路造成探测器漏电流过大影响探测器性能。测试中也发现感光膜清洗不干净也是导致电阻率降低的因素，因此在阻值降低时使用显影液清洗后还需进一步清洁，同时如果去除丝网时残留了过多的毛刺也可能会导致丝网上产生尖端放电，影响探测器电阻。测试一般在空气中进行，使用800 V高压进行，电阻达到500 GΩ以上即为制作成功，可进行探测器的漂移极安装和进一步测试。

2 Bulk Micromegas测试

2.1 测试系统

图3 读出电子学系统Fig.3 Readout electronics system

为保证气室的密闭性，测试时将APV25前端卡与探测器间使用柔性连接，并将二者一起放入探测器气室(图3)内，经过测试发现APV25前端卡不会对探测器噪声造成影响。APV25前端卡通过HDMI线将数据传输到电子学后端板。气室设计为可同时放入3个探测器，也可作为后续μ子成像系统所使用的气室。

测试用的工作气体主要使用由10%的CO2和Ar气组成的混合气体，使用的气体气压为标准大气压，气室为流气室。高压由CAEN公司的N1470插件提供，再使用ORTEC公司的142A前置电荷灵敏放大器作为滤波同时获取丝网信号，并通过ORTEC公司的572放大器和CF8000甄别器及CAEN公司的NIM-TTL-NIM插件得到读出电子学所需的触发信号，读出电子学系统[8]由APV25前端卡和课题组自主开发的后端板APVDs构成，如图3所示。该读出电子学使用APV25模拟前放成形芯片从读出电极上采集脉冲信号，转换成数字信号后通过可编程逻辑阵列FPGA和高速传输网线，将探测器读出电极上的信号传输给计算机进行数据分析。读出电子学系统的1块后端板最多可连接4块APV25前端卡，可同时获得512路信号，测试中使用了10 cm×10 cm的Bulk Micromegas探测器，该探测器有128通道，所以实验中使用了1块APV25前端卡对探测器进行测试。

2.2 探测器测试

制作完Bulk Micromegas探测器后，首先使用电容批量测试板对探测器的每个读出条进行电容测试，测试结果如图4所示，显示探测器各通道电容具有较好的均匀性。电容的少许差异是由电路板上走线的长短差异导致的，而探测器的电容对系统的噪声有一定影响[9]。在未来制作更大面积的探测器时还需考虑这个问题，尽量减少各通道之间的电容差异。

电容测试后，使用55Fe射线源(特征X射线能量5.9 keV)对探测器进行测试，测试时将探测器放入屏蔽盒中，在探测器上方6 cm处固定了漂移极，并将放射源固定在漂移极下方，使用的漂移电压和雪崩电压分别为1 500 V和430 V。从图5所示信号图可看见明显的X射线信号，此时该放射源在探测器上的二维事件分布图也能清楚看见放射源的位置。在二维事件分布图中存在1个计数率较高的点(红色)，该点是由于探测器微打火造成的计数率较高，在后续数据处理时可选择断开该通道以提高探测器效率。

图4 探测器电容Fig.4 Detector capacitance

a——X射线信号波形图(横轴为30个采样点，不同线条代表不同道数)；b——X射线二维事件分布图(红色点位置为打火点)图5 信号图Fig.5 Signal diagram

3 总结和展望

目前Bulk Micromegas已成为国际气体探测器研究的热点，不仅广泛应用于高能粒子与核探测领域，还有多方面的应用前景，如位置灵敏 X 射线探测器、中子照相、宇宙射线成像、医学生物学成像以及天体物理实验探测器等，是大科学实验中时间投影室读出探测器的最佳选择之一。Bulk Micromegas可制作成大面积的探测器，其读出结构的设计具有很大的灵活性，从而可设计出大面积和形状各异的射线成像系统。目前制作的有效面积为10 cm×10 cm Bulk Micromegas的探测器技术已成熟，利用研制的专用拉网机和专用覆膜机，从读出电极制作、拉伸丝网、覆感光膜、曝光，到蚀刻、清洗和测试，实现全部工艺国产化。成品率几乎能达到100%，并可进行批量生产。

下一步将对有效面积为10 cm×10 cm的Bulk Micromegas探测器进行进一步测试的同时，制作和测试有效面积更大的探测器。并计划研制带有阻性层或有双层丝网结构的Bulk Micromegas探测器，在保证探测器电场均匀性的情况下，提高探测器的增益。