栅型气体电子倍增器的研制

陈 石，刘 倩,*，刘宏邦，郑阳恒，封焕波，刘熙文，沈文涵，董 洋，焦信达

(1.中国科学院大学，北京 100049；2.广西大学，广西 南宁 530004； 3.中国航天科工集团公司第二研究院，北京 100048)

1996年，多丝正比室(MWPC)[1]发明者Charpak小组提出了一种能在较高粒子通量下工作的位置灵敏探测器微网探测器(Micromegas)[2]，这一发明标志着微结构气体探测器(MPGD)的诞生。MPGD在继承了多丝正比室优点的基础上，克服了其在计数率以及老化方面的不足[3]，同时又拥有较微条室(MSGC)更好的鲁棒性[4]。这些优点使得MPGD不仅在粒子物理实验中得到了很多应用[5]，如超环面仪器实验(ATLAS)、紧凑缪子线圈实验(CMS)中的径迹探测器，大型重离子对撞实验(ALICE)的时间投影室(TPC)升级，以及COMPASS(common muon and proton apparatus for structure and spectroscopy)实验的环形成像切伦科夫探测器RICH-1的升级等，也在其他实验[6]上得到了广泛应用。而在应用实践中，MPGD遇到了3个方面的新挑战。

第一，偶发性气体放电使MPGD的应用受到很大限制。偶发性放电通常由少数电离能力强的粒子引发，如单光子信号测量中，少量的宇宙射线缪子本底会产生数百对电离电子，而正常信号的单光子事例仅产生1对[7]；高能物理的最小电离粒子测量中，高能粒子与探测器物质作用产生的少量核碎片，会电离出较最小电离粒子(MIP)更多更密集的原初电离[8]。这些强电离事件难以避免，一旦发生会使空间中产生大量自由电荷，使原本绝缘的探测器工作区域成为导电通路，发生自持放电。MPGD改进了电场结构，避免阳离子的堆积，得到超越多丝正比室的计数率，但电荷空间效应的消失同时也意味着当气体发生自持放电时，探测器不再自发产生阳离子鞘结构削弱电场以阻止导电通路发展[9]。因此MPGD的放电较强烈，易导致探测器电极电压波动或精密电子学损坏[7]。

第二，MPGD探测单元面积的需求与生产工艺间存在矛盾。高能物理谱仪的应用目标对探测器灵敏层死区面积提出了上限要求，满足要求的方法之一是增加MPGD单一探测单元面积。对于不同工艺的MPGD，面积的增大给探测器的生产安装带来了不同的困难。传统工艺的Micromegas探测器[10]依赖框架结构及螺钉固定[11]，为减小探测死区而增加单元面积时，保持金属网平整性所需的张力增加导致边框宽度和固定螺丝半径同时增加，进而导致死区面积占比增加。两方面矛盾最终导致传统Micromegas的单元面积存在上限。气体电子倍增器(GEM)[12]电极以柔性薄膜Kapton材料为基底，当探测单元面积增加时，垂直于膜表面的电极间静电力增加导致其拉伸变形，甚至产生微小破损。防止上述现象出现需在气体间隙加入衬垫结构，但会带来更多的死区面积。同时，由于面积增大后单个GEM损坏率提高，缺陷单元更换更为频繁，传统的一次性胶粘成型工艺拆装便不再适合[4]。厚型气体电子倍增器(THGEM)[13-14]使用标准PCB工艺制作，基材具有一定刚性和自支撑性，但由于电极的结构需在覆铜基材上逐个机械打孔，探测单元面积增加导致漫长的生产周期[15]。当单元面积增加几百倍时，钻头可能在1次生产过程中磨损过度，带来的缺陷率提高同样不可忽视。

第三，MPGD具有的孔型结构会给粒子的位置测量带来偏差。无论Micromegas的网孔还是GEM与THGEM的圆孔，孔结构附近的电场均会产生轻微畸变，使电场方向总是朝向孔内聚焦。聚焦效应会改变待测粒子产生的电离电子的分布，最终导致重建的粒子位置与真实入射位置存在微小偏差。对孔间距通常在数百μm到mm量级的THGEM，这一效应更加明显。在CERN的SPS束流线上使用THGEM型探测器对150 GeV缪子的测量结果显示，单个事例的缪子位置重建会产生偏差，且该偏差呈现出与THGEM孔结构一致的周期性。束流实验数据与模拟结果的对照证实，聚焦效应正是导致出现该偏差的原因[16]。

为解决以上问题，近年来国内外提出了许多改进方法。医学成像领域，在Micromegas制作中使用热压膜，以满足无探测死区的要求[17]。Bulk[18]与Microbulk[11]型Micromegas用新的支撑工艺提高自身均匀性与能量分辨[19]。新式的自张紧GEM不再使用粘胶和垫片，在降低更换难度的同时减小了死区面积[20]。阻性材料的使用带来了μ-RWELL[21]和RPWELL[9]两种结构上不同的改进型设计，减小了MPGD放电带来的破坏性，两者的性能在实验室[22-23]和束流实验[24-26]上得到充分而系统的研究。

在以上诸多改进方式中，基于THGEM方案的RPWELL结构简单，不依赖复杂的真空加工设备或光刻技术，且对偶然放电具有良好的抑制能力。为进一步解决RPWELL在生产制作和聚焦失真效应方面的问题，本文提出一种改进的结构设计，将RPWELL中的多孔型电极结构改为栅极结构，得到栅型气体电子倍增器(Groove)。Groove中使用平行的狭缝阵列取代孔阵列结构主要基于以下3方面考虑：1) 相同面积探测单元使用的狭缝数量远少于孔阵列需要的孔数量，使用刻槽方式制作狭缝可节省生产时间、简化工艺。2) 机械打孔时有时在金属或基材边缘留下毛刺，这些缺陷结构是造成大面积制造探测单元时成品率下降的主要因素[15]。与直径小于mm的微孔相比，长度在cm量级以上狭缝边缘的毛刺更易于修复，由此可带来成品率的提高。3) 栅型结构沿狭缝方向电场无聚焦效应，新结构可减小该方向上粒子探测的重建位置偏差。

1 Groove结构与原理

图1 Groove结构Fig.1 Groove structure

Groove的结构示于图1，最上层为使用金属网或导电薄膜制作的漂移电极。漂移电极与倍增电极之间的气隙为漂移区，用以捕获带电粒子或光子产生的少量原初电离电子。漂移区下方的栅型气体倍增模板使用单面覆铜的FR4板制作，刻有多条平行等间距分布的直线沟槽，沟槽穿透基材形成栅型气隙使电子从中透过。倍增电极与Semitron ESD 225型工程塑料制成的阻性板及探测器阳极PCB自上而下紧密贴合，共同构成探测器的倍增单元。

以软X射线光子为例，光子通过探测器漂移区时与探测介质发生光电效应，激发出具有keV能量的内层电子，该高能电子在介质气体中飞行，使原子外层电子电离并逐渐损失能量，产生数百个原初电子-离子对。原初电子簇团在漂移区电场的作用下发生漂移扩散，沿电场线运动进入栅型气隙。栅型气隙中具有较强的电场，使电子发生雪崩效应，雪崩电子的数量较原初电子高3～4个数量级。雪崩电子运动在阻性板表面感应出电荷。感应电荷在阳极产生电流脉冲信号，经过前级放大后，在前端电子学产生数十到几百mV的电压信号。原初电子-离子对数量与入射X射线呈正比，因此电压信号幅度与入射粒子能量呈正比，通过测量脉冲幅度谱可得到入射粒子能谱。

2 实验装置与测量方法

制作狭缝宽度分别为0.2、0.3、0.5 mm的栅型电极进行比较，由于使用的加工刀具和机床限制，第1批电极的狭缝间距均为1 mm，栅型电极厚度为0.8 mm，使用的Semitron阻性板厚度为0.4 mm。射线源采用经φ0.5 mm准直孔准直的铜靶X光机，准直孔前加装铜层上镀镍的滤波片滤去轫致辐射及其他特征线，仅保留8.04 keV能量的Kα特征X射线。测试系统示于图2。

图2 测试系统示意图Fig.2 Scheme of measurement system

实验中，首先使用示波器记录探测器记录的信号波形，以确定探测器工作正常，之后用前置放大器和MCA记录信号的脉冲幅度谱，换算成能谱响应后，即可计算探测器的重要性能指标增益和能量分辨率。首先检查探测器增益在一段时间内的性能稳定性，确保1组较长时间测量的数据可相互对比。然后改变电压、工作气体进行扫描，得到探测器增益曲线和能量分辨率随工作条件的变化曲线。

实验使用的3种混合气体中，95%Ar+5%CH4与95%Ne+5%CH4为THGEM与RPWELL探测器的常用工作气体[9]，93%Ar+7%CO2为ALTAS的MDT探测器的常用工作气体[27]。

3 结果与分析

3.1 Groove信号计算

在有限元计算软件ANSYS中重建Groove的几何结构，设定电势边界条件可计算Groove的电场分布。将计算得到的电场导入Garfield++软件，通过蒙特卡罗模拟计算电子的碰撞、电离过程，可得到Groove的信号特征，计算结果示于图3。图3显示信号由电子产生的快信号成分和离子漂移产生的慢信号成分组成，前者产生的瞬时电流信号较大，但持续时间仅20 ns，后者持续时间长，约2～3 μs。对于能谱测量使用的电荷前置放大器，输出信号幅度取决于电流对时间的积分，积分结果表明，离子信号贡献占90%，而电子信号贡献仅占10%。因此预期观测到的信号波形特征应与离子信号一致，持续为2～3 μs的感应信号。

图3 Garfield++模拟的电子信号与离子信号Fig.3 Signal of electron and ion simulated with Garfield++

在栅型探测器中离子信号占主导的现象可由如下原理解释：阳极上探测到的信号是由电荷运动感应产生的，根据Shockley-Ramon定理，移动的电荷q在某一特定阳极上感应出的电流I可用下式计算：

(1)

其中：v为电荷运动速度；Ew为不计入电荷q情况下，指定阳极电势为V，且将系统其他电极均接地时，电荷所在位置的权重场强。由栅型探测器边界条件计算可得，Ew在主要区域为近似匀强平行电场，因此Ew/V近似等于1/d，d为栅极到阳极的距离，此时I=qv/d。

对电荷漂移的整个过程进行时间积分，则电荷q贡献的信号总量Q为：

(2)

其中，l为电荷漂移总距离，如图4所示，对于电离产生的电子-离子对，电子有l=x，离子有l=x-d，对每对电子-离子对求和，得正负电荷信号贡献比为：

图4 雪崩产生电子-离子对的电荷漂移距离Fig.4 Drift distance of avalanche ion-electron pair

(3)

栅极探测器中，雪崩过程主要集中在阳极附近，即x≪x-d，故阳离子信号为主要贡献。

3.2 脉冲信号波形

3种尺寸的栅型探测器均能在示波器上观测到X射线信号，信号上升宽度沿约3 μs，与模拟计算结果一致。根据离子漂移速度估算同样可得到阳离子漂移穿过与电极厚度0.8 mm相等的气隙约需2.4 μs，因此栅型气体电子的信号上升沿主要来自阳离子信号的贡献。

同一工作气体下不同尺寸电极的信号波形及同一电极在不同混合气体中的信号波形示于图5、6。可见，归一化后的探测器波形形状一致，气体改变带来的影响较几何尺寸改变的影响大，但不同曲线差异均在15%以内，表明栅极狭缝宽度和工作气体对信号特性无明显影响。

图5 不同狭缝宽度下的电荷信号波形Fig.5 Charge signal waveform with different slot widths

图6 不同混合气体中的电荷信号波形Fig.6 Charge signal waveform in different gas mixtures

3.3 增益稳定性

GEM和THGEM型探测器存在charging-up效应[28]，少数雪崩电子在绝缘基材围成的孔壁上堆积使倍增区域电场随时间累积缓慢削弱，在测量结果上表现为相同测试条件下，同一探测器增益较晚时的测量结果比较早的测量结果小10%～30%。为确保扫描测量结果的无偏性，需检验栅型气体电子倍增器的增益性能受charging-up效应影响的强弱。实验设计X射线经φ0.5 mm准直后持续照射探测器同一位置，每2 min记录并测量1次脉冲幅度谱。归一化后的幅度随时间的变化示于图7。图7表明，增益随时间的变化虽显示出微小的charging-up效应特征，但在30 min测量时间内，增益下降幅度小于1%。

图7 归一化增益随时间变化Fig.7 Normalized gain as a function of time

3.4 能量分辨率

X射线和介质Ar原子作用后，其能量一部分用来克服Ar原子K层结合能激发出光电子，另一部分转化为光电子能量。以结合能形式存储在Ar原子中的能量可能通过发射俄歇电子或特征X射线的方式释放出来，当受激Ar原子释放X特征射线时，由于其发射的2.96 keV特征射线在Ar气中吸收长度为4 cm，远大于漂移区长度，该特征X射线有很大概率逃逸出探测器灵敏区域不被探测到。因此，以Ar气为工作介质的栅型气体电子倍增器，其X射线能谱由全能峰和特征X射线逃逸导致的逃逸峰组成。探测器性能测量中通常使用全能峰重心对应的脉冲幅度计算探测器增益，用全能峰的半高全宽(FWHM)作为探测器能量分辨性能指标。

3种不同狭缝宽度栅型电极的实验结果对比显示，0.2 mm狭缝宽度的电极能量分辨率明显优于另外两者，其在95%Ar+5%CH4和93%Ar+7%CO2中的X射线能谱示于图8。由图8可知，95%Ar+5%CH4中FWHM达18.7%，93%Ar+7%CO2中达15.6%，此时探测器增益分别为8.6×103和5.6×103。

3.5 增益曲线

不同狭缝宽度电极在不同工作气介质中的增益曲线示于图9。由图9可知，在增益特性方面，狭缝宽度为0.2 mm的栅型电极同样显示出明显优势。0.2 mm电极能以更低工作电压得到相同增益。无放电稳定工作的情况下，在95%Ar+5%CH4中的增益达1.2×104，在93%Ar+7%CO2中的增益达1.5×104；如允许偶然放电发生，在95%Ar+5%CH4中的增益可达2.7×104，93%Ar+7%CO2中的增益可达3.2×104。

高压供电电源上的电流监测结果表明，栅型气体电子倍增器的放电电流被限制在百nA量级以内，而在相同增益下，GEM和THGEM的放电电流均在μA量级。

图8 95%Ar+5%CH4和93%Ar+7%CO2中的X射线能谱Fig.8 X-ray spectrum of Cu target in 95%Ar+5%CH4 and 93%Ar+7%CO2

图9 不同混合气体中的增益曲线Fig.9 Gain curve of Cu target X-ray in 95%Ar+5%CH4 and 93%Ar+7%CO2

4 结论

基于改进的新型MPGD，使用蒙特卡罗模拟方法计算了脉冲信号特征，并对不同几何结构的探测器在不同工作气体下进行了性能测试对比。实验测量到的信号时间特征与模拟结果一致，信号主要由阳离子漂移贡献。对比实验结果表明，栅型结构狭缝宽度为0.2 mm时，探测器表现出较宽狭缝更好的增益与能量分辨性能。使用5%CH4作为猝灭气体的探测器工作电压更低，但7%CO2的工作气体在极限增益与能量分辨率上更优。