小型活性靶时间投影室性能研究

许金艳，阳黎升，李奇特，叶沿林，韩家兴，白世伟，高 见

(北京大学 物理学院 核物理与核技术国家重点实验室，北京 100871)

在过去几十年里，核物理和粒子物理相关领域实验中，气体探测器被广泛用于探测实验中产生的各种粒子。这些气体探测器中较典型的类型有多丝正比室[1-3]、阻性板气体室[4-6]以及漂移室[7]。20世纪70年代，尼尔森发明了一种具有出色成像能力的新型气体漂移室——时间投影室(time projection chamber, TPC)[8]。TPC的优点在于它具有很好的位置分辨和很高的探测效率以及接近4π的立体角覆盖范围。因为TPC的上述优点，它很快被广泛应用于高能核物理实验的探测中[9-12]，在低能核物理实验领域也有着不少的应用[13-15]。近年来，随着放射性核束技术的进步和发展，各种束流装置能提供越来越丰富的放射性核素束流，这为核物理研究打开了更广阔的领域。核反应实验也成为了这个领域更广泛使用的工具，如共振散射、转移反应、库仑激发和破碎反应等[16-18]。放射性核束较稳定核束的流强弱得多，要得到同样的反应事件数需增加靶的厚度，但增大靶厚会对反应后粒子出射角度和能量产生干扰，尤其会降低靶外部探测器对反应中产生的低能粒子的探测效率并增大反应粒子位置不确定度。

活性靶时间投影室(AT-TPC)将工作气体介质作为靶材料使用，反应点位于TPC内部，TPC可探测到入射束流和出射反应产物的径迹。这种设计可大幅提高反应产生的低能粒子的探测效率和位置、能量分辨[19-20]。本文设计研发一种小型AT-TPC，用于不稳定核集团结构研究中低能出射粒子的测量[18]，并对其性能进行测试。

1 探测器设计和搭建

1.1 探测器结构和气体电子倍增器(GEM)膜读出

TPC本质上是1个气体探测器。当带电粒子穿过探测器的气体腔室时，沿粒子路径的气体分子将被电离。电离产生的电子在外加均匀电场(将外加电场方向定义为三维直角坐标系的z方向)作用下将沿z轴方向向阳极漂移，漂移时间由电子产生的位置与电极之间的距离决定。另一方面，电子漂移到达的阳极设计为二维平面读出(该平面与外加电场方向垂直，定义为三维直角坐标系的x-y平面)。根据漂移电子到达时二维读出板感应信号的位置可定位电子在x-y平面上的位置，从而确定带电粒子径迹在x-y平面上的投影。因此，TPC可作为带电粒子的三维成像系统探测带电粒子径迹。TPC的性能依赖于气体腔室中外加电场的均匀性、气体增益的稳定性、信号放大和读出技术等。

图1 AT-TPC装置示意图Fig.1 Schematic view of AT-TPC

本文设计的AT-TPC是一简化的二维成像系统。该探测器由气体腔室、场笼和1套端盖及相关电子学读出构成，装置示意图如图1所示。场笼安装在顶部的阴极平行板和底部的读出板之间，场笼体积为14 cm×14 cm×14 cm，场笼四周由4块相同的印刷电路板(PCB)组成，每块电路板内表面有14根平行铜条，条宽7 mm，间距3 mm，构成的漂移区长度为14 cm。基于GEM的TPC是1种具有良好位置分辨和快时间响应的新型粒子径迹探测器。底部的放大级使用2层厚GEM[21]，其灵敏面积为10 cm×10 cm，GEM膜厚200 μm。从2层厚GEM膜放大出来的电子在读出电路板上产生感应信号，读出条长度为100 mm、宽度为1 mm、间隔为0.562 mm，共64条。通过图2所示的电路给场笼和GEM膜加高压。本文所有测试中场笼电压设置为-2 700 V，GEM膜电压设置为-880 V。漂移电场电势通过电路中一系列电阻实现均匀下降。两片GEM膜之间以及下层GEM膜和底部读出板之间间距均为3 mm。在场笼底部和上层GEM膜之间放置1圈由15 mm宽的铜条构成的场笼偏压环用于修正漂移电场。

图2 场笼和GEM膜高压电路Fig.2 High voltage circuit for field cage and GEM foil

为对TPC性能进行定量分析，定义这样1个坐标系：z轴沿漂移电场中电场方向，坐标零点位于最上层GEM膜表面，x轴平行于GEM膜平面且垂直于一维读出条(图2)。

1.2 工作气体

TPC的工作气体通常需具备介电常数低、扩散系数小以及电子漂移速度较快等特性。具备这些特性的Ar、CH4、CO2或CF4等气体及它们的混合物被广泛应用于实验测试中。不过对于AT-TPC，工作气体同时要作为靶材料，这样气体的选择就受更多限制。设计中，因为物理目标定位在探测不稳定集团结构的母核衰变产生的低能轻粒子碎片(如能量几MeV的α粒子)，所以He气作为气体的主要成分是理想选择。实验中采用96%He+4%CO2混合气体，从文献[22]和实验测试均发现，少量CO2的加入有利于稳定工作气体的增益。

1.3 场笼

场笼的主体框架为一边长14 cm的由PCB构成的立方体。漂移电场由场笼顶部的平行电极板和固定于四周的分压电势条共同形成(图1)。实际电场分布通常会在场笼边缘附近发生扭曲。漂移电场的这种变形会使TPC的时间和位置分辨变差。为改善漂移电场的均匀性，采用Garfield程序模拟了场笼内电场分布。根据计算结果，采用加场笼环[12]的方法改善场笼边缘的电场分布。场笼环固定在上层GEM膜上方3 mm处(图2)。场笼环引出1个电压接口单独调节。

2 测试结果和讨论

2.1 实验设置

实验装置和信号处理电路如图3所示。小型AT-TPC放置在1个封闭的靶室中，实验时靶室内采用流气式气体循环，96%He+4%CO2混合气体气压为8×105Pa。在场笼外部一侧z=70 mm处放置α粒子放射源241Am(α粒子能量为5.49 MeV)，通过1个直径4 mm的孔射入场笼。场笼外正对着放射源的另一侧，放置1个多丝正比室，用于探测α粒子和触发数据获取系统。为对TPC探测器进行电子漂移速度刻度，在放射源对面侧PCB场笼板上z=70 mm处打出1个直径4 mm的中心孔，然后以此为中心，在z=50、60、80、90 mm处打出4个直径为2 mm的刻度孔。这样只有α粒子穿过这几个孔的径迹可被触发记录下来。来自这几个孔的粒子的位置差和时间差，即可用于测量漂移速度。

图3 实验装置和电子学示意图Fig.3 Diagram of experimental setup and signal processing circuit

64路读出条得到的信号由排线引出靶室，接入北京大学亚原子粒子探测实验室研发的电荷灵敏型前置放大器。该前置放大器已多次成功用于核物理实验中[23-24]。前放信号经过MSCF-16主放后的时间和能量信号分别输出到CAEN V1190和CAEN V785中记录。

2.2 α粒子径迹测试

图4 场笼环加不同高压时单个α粒子x-z平面径迹和每根读出条ADC收集的电荷信号幅度Fig.4 Measured tracks of α particles in x-z plane and quantity of electric charge (ADC value) collected by readout strip with different voltages applied to guard ring

α粒子穿过TPC的场笼产生的径迹，在z轴方向的位置，是由电子从产生的位置向下漂移至GEM放大后在读出条产生感应信号之间的时间决定的。起始时间由触发的多丝计数器给出。时间和位置对应关系的刻度通过测量α粒子穿过场笼与放射源正对的侧壁上的一系列等间距孔(平行于z轴)的径迹实现。图4a示出了其中1条α粒子径迹，从图4a可看出，当场笼环偏压为0时，α粒子径迹两端出现弯曲，原因是场笼漂移电场在靠近边缘区域出现扭曲；当场笼环偏压为-950 V时，从实验测得的α粒子径迹可明显看到径迹边缘弯曲的状况得到了明显改善。图4b示出了当α粒子穿过场笼时读出条收集到的电荷信号(模数转换器(ADC)的值)。从图中也能看出场笼环对电场均匀性有明显的改善作用。在这个电压设置下，可观察到5条接近直线的α粒子的径迹包络(图5)，分别对应PCB场笼上5个刻度孔。通过刻度孔和对面入射孔几何中心连线的位置以及每根条上实际测量的时间谱得到漂移时间的对应关系，从而可求出这个电压下电子沿z轴的漂移速度为830 m/s。

图5 场笼环电压为-950 V时α粒子穿过场笼径迹Fig.5 Measured track of α particles with voltage applied to guard ring of -950 V

2.3 小型AT-TPC探测系统性能

图6 64根读出条z轴方向位置分辨Fig.6 Position resolution along z axis for 64 strips

通过测量α粒子穿过场笼得到的径迹数据，采用残差法[25]对64根读出条逐条分析其沿z轴漂移方向的位置分辨。图6所示为对64根条的残差分布分别作高斯拟合后各自对应的标准偏差σz。从图6可看出，σz在0.06～0.17 mm之间变化。该结果显示了该探测系统z轴方向很好的位置分辨能力。通过前面所述的时间-位置刻度关系可算出此系统对α粒子时间分辨在7～20 ns之间，不同读出条分辨能力略有差别。当然，这个时间分辨应包含了整个探测系统的测量误差，如电子漂移时间涨落、GEM膜引起的时间误差和前放及电子学的噪声等。

x轴方向的位置不确定性主要由读出条的宽度决定，根据文献[26-27]公式，σx=1.56 mm/121/2=0.45 mm，本文的1.56 mm是64根一维读出条的空间排列周期间隔。

在上述α粒子径迹中，对每个径迹，将64根条得到的位置径迹分成前、后两部分，即前32路(0 mm≤x<50 mm)和后32路(50 mm≤x<100 mm)。对这两部分分别进行直线拟合得到倾角θ1和θ2，它们的差值Δθ=θ1-θ2的分布如图7所示，其误差为0.6°。由此可看出该AT-TPC具有很好的角度分辨。

图7 前、后两段径迹拟合角度后得到的角度差值分布Fig.7 Distribution of difference in track angle between upstream and downstream regions

图8 单个α粒子在He气中弹性散射的事件成像Fig.8 Example of α+α elastic scattering

通过这套搭建完成的AT-TPC探测系统，成功观察到了α粒子在He气中的弹性散射事件成像。图8所示为其中1个事件的径迹，图中蓝点表示α粒子从左边入射AT-TPC的径迹，在x=17 mm处与工作气体中的He发生散射，黑点和红点对应发生弹性散射后两个出射He粒子的径迹。

3 结论和展望

本文设计完成了小型AT-TPC。通过在第1层GEM膜上引入场笼环并调节到合适的电压，明显改善了漂移电场靠近场笼边缘区域的扭曲问题，从而提高了整套探测系统的性能并扩大了可用区域。AT-TPC的时间分辨小于20 ns，z轴方向位置分辨小于0.2 mm。x轴方向位置不确定度由读出条排列的周期间隔决定，在本实验中结果为0.45 mm。通过对x-z平面α粒子径迹分析，得到探测系统的角度分辨为0.6°。得益于这套系统良好的性能参数，α+α粒子弹性散射事件的成像能被清晰地观察到。测试结果表明，这套AT-TPC场笼和电子学的性能参数能满足对集团结构研究中产生的低能粒子的测量要求。

本文主要介绍AT-TPC对低能粒子径迹的二维成像。若将目前的一维读出条设计改造成二维读出块或二维读出条的设计，即能实现对低能粒子径迹的三维成像。目前高集成度的数字化波形获取系统如XIA获取系统或AGET获取系统正在发展，后期将高集成度的获取系统应用到AT-TPC中，有利于得到高分辨率的三维粒子径迹成像。