应用于PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台的Bulk Micromegas性能研究

陈 雷，李沛玉，周 静，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)

PandaX-Ⅲ实验[1]用136Xe制作高压气氙时间投影室寻找无中微子双贝塔衰变[2]事件，如果能观察到这个现象即可说明中微子是自己的反粒子，同时表明轻子数不守恒，这意味着自然界的一项重要守恒定律——轻子数守恒律被破坏。现有的研究显示：无中微子双贝塔衰变事件的半衰期至少为1026年[3]，要观察到这样极稀有的事件需要极低的本底环境。目前世界上最深的锦屏山地下实验室具有约2 400 m高的山体来屏蔽宇宙线，可极大降低环境的本底辐射，因此PandaX-Ⅲ实验选择在该实验室进行。

要区分136Xe产生的2 458 keV无中微子双贝塔衰变事件与来自环境的238U衰变链中的214Bi产生的2 448 keV γ射线干扰，不仅要求实验环境拥有极低的本底，还要求探测器具有相当好的能量分辨率。先期实验要求探测器在能量2 458 keV附近拥有好于3%的能量分辨率。使用高压气氙时间投影室还可通过重建事件的径迹，利用径迹的几何结构进一步压低本底，这还要求探测器有良好的位置分辨能力。

由多丝正比室发展而来的微结构气体探测器(MPGD)以气体电子倍增器(GEM)和微网探测器(Micromegas)为两个主要发展方向。Micromegas探测器根据制作工艺的不同又可进一步分为使用鱼线或石英作为放大区间隔的传统型Micromegas[4]探测器、使用光蚀刻一体化技术制作的Bulk Micromegas探测器[5]及将放大区用印刷电路板制作的MicroBulk Micromegas探测器[6-7]。

MicroBulk Micromegas探测器是欧洲核子中心(CERN)生产的一款具有良好能量分辨率与位置分辨率的MPGD。有研究表明，使用MicroBulk Micromegas探测器测量55Fe产生的5.9 keV X射线，能量分辨率好于2%[8]，在众多Micromegas类型中表现优异。探测器整体采用铜和聚酰亚胺构成，可做到极低的本底。此外由于探测器制作成本相对较低，且可拼接成大面积的读出平面，满足PandaX-Ⅲ实验的需求。

PandaX-Ⅲ实验计划采用大量MicroBulk Micromegas探测器作为时间投影室的读出平面。这些探测器在安装使用前需了解每块探测器的工作状态与性能参数，如探测器增益、坏道分布与打火通道状态标定等。这就需要有一个能对多个MicroBulk Micromegas探测器同时进行性能检测的探测器测试平台。为此中国原子能科学研究院负责建立了基于Micromegas探测器、AGET电子学、数据获取系统、数据分析系统、高压系统和流气系统的PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台。

由于MicroBulk Micromegas目前只能由欧洲核子中心生产，周期较长，探测器出现问题无法及时更换，因此改用中国原子能科学研究院中高能物理团队研制的Bulk Micromegas探测器对测试平台进行研究。Bulk Micromegas探测器目前可由中国原子能科学研究院自主生产，有多块同型号的探测器可供使用，且在测试过程中具有良好的稳定性。Bulk Micromegas探测器与MicroBulk Micromegas探测器两者具有相似的结构与工作参数，对Bulk Micromegas探测器进行性能测试的平台今后可很方便地应用于MicroBulk Micromegas探测器的性能测试。

1 实验装置

1.1 探测器结构

Bulk Micromegas探测器结构如图1a所示。探测器采用条读出，最下层为含有相互正交的读出电极的阳极读出电路板。读出电路板上方为高128 μm的支撑柱。支撑柱由感光膜经过光蚀刻制作而成，用于支撑作为雪崩放大电极的400目不锈钢丝网。测试用Bulk Micromegas探测器的读出电路板如图1b所示，该读出电极有效面积为5 cm×5 cm。Bulk Micromegas探测器横向和纵向各32条通道，共64通道，其工作原理为带电粒子在漂移区电离产生电子离子对，在漂移电场的作用下，电子漂向并经过不锈钢丝网做成的雪崩电极，进入雪崩区后进行放大，电荷在雪崩区运动的过程中产生感应信号并由相互正交的阳极条读出。

a——探测器结构；b——探测器实物图1 Bulk Micromegas探测器结构Fig.1 Structure of Bulk Micromegas detector

1.2 测试平台搭建

PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台的结构框图如图2所示。该测试平台由Micromegas探测器、AGET电子学、数据获取系统、数据分析系统、高压系统和流气系统组成。

图2 测试平台结构Fig.2 Structure of test platform

探测器漂移区的距离设置为1 cm，并使用Ar+10%CO2平衡气作为探测器中的气体电离介质。探测器工作时Ar+10%CO2以500 mL/min的流速通入气室并排出。探测器的漂移电极与雪崩电极的高压由CAEN N1471HET高压插件提供。测试所采用的读出电子学是中国科学技术大学研制的基于AGET读出芯片制作的通用读出电子学[9-10]，包括前端读出板(FEC)与数字获取模块(DCM)及相应的数据采集软件和说明文档。数据采集软件由Qt4.8.7编写制作，可跨平台运行，版本为V1.1。数据分析软件是基于C++与CERN开发的ROOT软件库编写的后端处理分析程序。

2 探测器测试及分析

由于微结构气体探测器通常存在打火问题，在进行初步测试时将丝网电压设置在低于打火出现的电压附近。实验采用55Fe放射源相对于Bulk Micromegas探测器的位置进行测试，并用X射线管产生的X光对钥匙照射，使用Bulk Micromegas探测器进行成像以验证数据分析软件在成像方面的准确性。然后选择1个探测器能正常工作的雪崩电极电压，通过改变探测器漂移电极电压，获得探测器增益及能量分辨率随雪崩电场与漂移电场比(Em/Ed)的变化曲线，进而找到与探测器最佳能量分辨率相应的Em/Ed。最后在保持Em/Ed不变的情况下，改变探测器的雪崩电极电压以及相应的漂移电极电压，从而获得探测器的气体电子放大倍数即增益随雪崩电极电压的变化曲线。

2.1 噪声测试

接地与电磁屏蔽是噪声控制中很重要的一环[11]。实验使用隔离电源滤波器将整个系统使用的电源与实验室电源分开。使用铜带包裹所有信号线与电源线以避免电源线缆辐射干扰其他电子学系统，并防止线缆信号被外界干扰。在高压插件与探测器连接处使用ORTEC 142A作为滤波器，并用铝箔将滤波器包裹。实验中还将高压插件的阳极与机箱的地线连接断开以使高压插件地线悬空。整个探测器与前端电子学放置于金属屏蔽箱中。

测试时雪崩电极电压设置为-400 V，漂移极电压设置为-1 000 V，对应有效漂移电场为-600 V/cm。测试获得的探测器输出的两个触发通道信号与所有通道噪声统计分布示于图3。图3a中，数据采集软件中设定的采样频率为5 MHz，两个采样点之间的时间间隔为0.2 μs。电子学使用的电荷量程为120 fC，并用12位二进制的数表示120 fC整个量程，其电荷的模数转换值(ADC)为4 096。上下两个触发通道信号的基线ADC相差120左右，每条信号曲线的基线峰谷ADC差值在50左右。信号幅值与基线ADC差值大于75，该差值可由数据分析软件设定，用以判断探测器输出信号是否超过设定阈值。不加漂移电压与雪崩电压时统计得到探测器输出信号的均方根偏差(RMS)分布示于图3b。图3b中，纵轴为1个通道在1次事件中计算得到的相应RMS值的计数。由图3b可见，ADC的RMS平均值在9左右，此时等效噪声电荷为0.263 fC，满足实验需求。ADC的RMS值为4左右的统计量是电子学与探测器连接性问题引发的。这些通道的RMS值反映了没有连接探测器时电子学本身的噪声水平。由于电子学接口与探测器接口之间多次插拔操作使得这些通道不能正常传递探测器的输出信号。

2.2 数据获取与分析

信号从探测器中产生后经过转接板传至FEC，经过FEC整形滤波后通过光纤传到DCM，最后由DCM将数据打包整理后由千兆网线传至计算机进行离线分析。

根据数据采集软件相应的数据格式说明书编写相应的数据分析软件，使其能更方便地应用于探测器的测试。该程序可对来自探测器的信号进行一些基础分析，包括波形显示、计算并统计每一通道的RMS值与基线、事件能量以及事件的电荷中心等相关参数。

为更完整地获取探测器产生的事件信号，实验中将数据采集软件的数据采集模式设定为全读出，即1次触发即将所有通道信号读出。但全读出数据量非常庞大，1次具有约10万事例的数据采集过程至少获得20 GB的数据量。因此未来将考虑使用磁盘阵列存储数据，并采用多线程并行处理方式，以提高分析软件的处理速度。

2.3 成像测试

利用Bulk Micromegas探测器对55Fe放射源在探测器中的相对位置进行测试，结果示于图4a。从图4a可见，放射源所呈图像并非圆形，而是类似于椭圆的结构。在保持其他实验条件相同的情况下将放射源相对于探测器旋转一定角度后发现，图中的长轴朝向发生了改变，这说明产生这种椭圆形状的图像并非是探测器或电子学本身的问题，而是放射源本身的形状。在Ar+30%CO2平衡气体条件下，将钥匙置于Bulk Micromegas探测器上方，并使用X射线管产生的X光进行照射，探测器获得的图像示于图4b。其中X射线管电压设置为50 kV，钥匙置于漂移电极表面靠近X射线管一侧。从图4可看到相对较清晰的放射源与钥匙的轮廓，与实际物体几何尺寸及相对于探测器的位置吻合，说明分析软件在成像方面分析准确，可为实验获得的事例提供位置上的筛选条件。

图3 探测器输出信号与噪声分布Fig.3 Detector signal and noise distribution

图4 55Fe放射源(a)与X光照射下的钥匙(b)在Bulk Micromegas探测器上的成像Fig.4 Image of 55Fe radio source (a) and key under X-ray (b) on Bulk Micromegas detector

2.4 能谱与增益曲线

将55Fe放射源置于漂移电极表面远离雪崩电极一侧并朝向雪崩电极。漂移电极由带有通孔的双面覆铜板构成。Ar+10%CO2平均电离能为27.2 eV[12]。由q=eE/W可知，根据射线能量E与平均电离能W可得到平均电离电荷q，e为单位元电荷。又由Qt=120×10-15P/4 096(P为峰位所在的横轴ADC值)可得到收集到的总电荷数Qt。增益A为两者之比，即A=Qt/q。

图5 Bulk Micromegas探测器测量得到的 55Fe能谱Fig.5 55Fe energy spectrum measured by Bulk MciroMegas detector

实验中漂移电极电压与雪崩电极电压分别设置为-549 V和 -490 V，并以1个事件的电荷重心作为筛选条件选择距离放射源在探测器上的投影点3 mm以内的事件，得到的能谱示于图5。图5中ADC为2 200附近有1个由55Fe放射源产生的5.9 keV X射线的主峰，ADC为1 100附近有1个逃逸峰。使用单高斯曲线对ADC为2 200附近的数据进行拟合，得到高斯峰的峰位，并由增益计算公式得到此时增益约为1 700，能量分辨率约为20%。

为探究探测器的工作状态，研究了探测器的透过率与Em/Ed的关系。当探测器的雪崩电场与雪崩距离确定时，Bulk Micromegas探测器雪崩区电子放大倍数几乎不变，整个探测器的增益可认为是由电子透过率决定的。由此增益的变化可间接反映探测器的电子透过率的变化。实验中将雪崩电极电压设置为-490 V，测量探测器增益与能量分辨率随Em/Ed变化，如图6所示。

由图6a可见，随着Em/Ed的增大，探测器增益先剧烈上升，然后趋于平缓，表明Em/Ed越大探测器的透过率越好。

由图6b可知，Em/Ed越大，探测器能量分辨率越佳。Em/Ed约为600时能量分辨率约为21%。图6b中，在一些Em/Ed附近出现了能量分辨率的极大值，可能是由于测试过程中需要对气体流量进行调整导致的。测试时计数率不高，约150 Hz，需要至少10 min的数据才能积累一定统计量。而这样长时间大气流的供气很难保持气体流量的稳定性，而气体流量对探测器能量分辨率有一定影响。

结合图6a、b可知，当漂移电场进入气体电离曲线复合区前，雪崩电极电压保持不变时，Em/Ed越大，探测器的透过率和能量分辨率越好。然而当漂移电场进入气体电离曲线中的复合区后，将导致漂移区产生的电离电子对在漂移过程中发生复合，使得感应信号不能被完全收集从而造成能量分辨率变差。

选择能量分辨率最佳时的Em/Ed=650，分别改变雪崩电极电压与相应的漂移电极电压，测量探测器增益与能量分辨率曲线，结果示于图7。由图7a可见，探测器的增益曲线近似为直线，呈e指数变化，可获得的最大增益约为3 000。由于更高的丝网电压使得探测器打火放电，导致探测器的稳定性变差，因此实验中雪崩电极电压不高于-510 V。

由图7b可见，在雪崩电极电压大于-420 V时，探测器的能量分辨率均好于30%。更低的雪崩电极电压会导致信噪比变差，从而使得能量分辨率变差。雪崩电极电压为-400 V时，增益曲线已明显偏离指数变化，此时的能量分辨率也几乎没有参考意义。

图6 探测器增益与能量分辨率随Em/Ed的变化Fig.6 Gain and energy resolution with Em/Ed

图7 探测器增益与能量分辨率随雪崩电极电压的变化Fig.7 Gain and energy resolution with mesh voltage

为能更快速地获取探测器增益与能量分辨率，实验中将探测器与ORTEC 142A连接，输出的能量信号经过ORTEC 572主放大器与Amptek MCA8000A 多道分析仪进行数据采集，并使用相应程序对数据进行分析。

测试时数据采集时间设定为20 s，实验中的事例率可达600 Hz以上，可大幅节省获得探测器增益曲线与能量分辨率曲线的时间。雪崩电极电压为-490 V、漂移电极电压为-549 V时，能量分辨率为19.7%，达到国外同类型探测器水平。

3 总结

本文利用Bulk Micromegas探测器对PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台进行了测试。测试结果表明：Bulk Micromegas探测器在Ar+10%CO2下对55Fe产生的5.9 keV X射线最大增益约为3 000；分别使用基于AGET芯片的电子学与MCA8000多道分析仪进行数据采集可达到20.7%与19.7%的能量分辨率。基于AGET芯片制作的通用读出电子学连接Bulk Miromegas 探测器噪声等效电荷为0.263 fC，具有良好的信噪比，满足测试要求。用于测试平台相关的数据分析软件可给出探测器各通道的波形图、增益曲线以及二维事件分布图等相关信息。Bulk Micromegas探测器与Micro-Bulk Micromegas探测器两者具有相似的结构与工作参数，利用PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台对Bulk Micromegas探测器进行性能测试的结果，对今后MicroBulk Micromegas探测器性能测试具有重要意义。