二维位置灵敏X射线气体电子倍增器（GEM）的研制

论文摘要

气体电子倍增器（Gas Electron Multiplier）是近几年由欧洲核子研究中心（CERN）发展起来的一种新型位置灵敏型气体探测器,其基本部件是两面敷铜且在其上蚀刻出大量微孔的聚酰亚胺（kapton）膜。工作时在两侧铜面上加高电压,电子在孔内雪崩,对原初电离进行放大。该探测器具有一系列优点,如高计数率、抗辐射、质量轻、高空间及时间分辨、读出方便,与不同转换体连用可探测不同射线等,有多方面的应用前景。针对北京同步辐射（BSRF）对二维探测器的实际需求,研发能够满足衍射和散射实验要求的二维位置灵敏X射线气体电子倍增器是中国科学院重大科研装备研制项目。为了深入了解气体电子倍增器（GEM）的特性,用CERN制作的GEM膜研制了灵敏面积为100×100mm2的三级GEM探测器模型。利用X射线源对模型进行了基本性能测试,模型具有良好的正比性及线性。实验测得三级GEM对55Fe放射源X射线全能光电峰（5.9keY）的最佳能量分辨率为20.2%:有效增益大于104;利用96路8×8mm2的pad及数字化数据获取系统成功实现成像实验,初步探索了GEM用于二维成像的能力。为了得到足够高的定位精度,设计制作了基于二维读出条模拟读出的GEM模型。另设计加工一套配有高精度拉力传感器的拉伸装置。同时,研制了一套适应阳极感应读出的电子学系统。通过基于两种读出条周期读出的模型实验,设计了合理的GEM探测器读出条结构和GEM模拟读出的自触发方式。经测试得到了优异的二维位置分辨:X方向约为110μm,Y方向约为79μm。研究了三级GEM压差之和对位置分辨的影响,并测试了探测器的位置准确度与线性。对基于阳极读出的GEM用于模拟读出测试系统得到了一定的理论认识。实验表明,二维位置灵敏GEM探测器及新研制的读出电子学系统能够满足同步辐射对于探测器的位置分辨的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 2 粒子物理探测器中的气体探测器
• 2.1 粒子物理探测器简介
• 2.2 气体探测器介质的三个条件
• 2.2.1 绝缘性
• 2.2.2 自由电荷寿命长
• 2.2.3 自由电荷迁移率高
• 2.3 相关的物理过程
• 2.3.1 射线与物质的相互作用
• 2.3.2 电子与离子在电场中的运动
• 2.4 气体放大
• 2.4.1 放大机制
• 2.4.2 空间电荷效应
• 2.4.3 增益随计数率增加的变化
• 2.4.4 ‘雪崩-流光-放电'过程
• 2.5 信号的产生
• 2.5.1 Ramo法则
• 2.5.2 等效噪声电荷（ENC）
• 2.5.3 耦合干扰（Crosstalk）
• 2.6 用于同步辐射的气体探测器
• 2.6.1 同步辐射光子探测特点
• 2.6.2 目前可用于同步辐射的探测器
• 2.6.3 从多丝正比室到微观探测器
• 2.7 本章小结
• 3 气体电子倍增器
• 3.1 气体电子倍增器介绍
• 3.1.1 气体电子倍增器工作原理及相关物理过程
• 3.1.2 标准GEM膜孔的物理模拟
• 3.1.3 气体电子倍增器的性能的影响因素
• 3.2 多层GEM结构
• 3.2.1 多层GEM结构工作原理及相关物理过程
• 3.2.2 升降高压的方式
• 3.2.3 GEM信号特征
• 3.3 多层GEM的读出方式
• 3.3.1 采用平行读出条或者Pads阵列读出
• 3.3.2 采用开关电容阵列的Pads阵列读出
• 3.3.3 采用CMOS读出方式
• 3.3.4 采用CCD读出方式
• 3.3.5 采用延迟线读出方法
• 3.4 GEM的发展及应用
• 3.5 本章小结
• 4 气体电子倍增器的制作
• 4.1 GEM膜
• 4.1.1 GEM膜的制作
• 4.1.2 GEM膜的购买
• 4.2 阴极的制作
• 4.3 GEM膜的拉制
• 4.3.1 拉制简介
• 4.3.2 拉伸步骤
• 4.4 单层GEM膜的漏电流测试
• 4.4.1 测试示意图
• 4.4.2 测试结果
• 4.5 GEM模型的组装
• 4.6 本章小结
• 5 GEM探测器的基本性能的实验研究
• 5.1 气体增益实验研究
• 5.1.1 实验原理及装置
• 5.1.2 气体增益随三层GEM膜高压同时改变的变化
• 5.1.3 气体增益随三层GEM膜电压和的变化
• T1,E_T2和收集场E_I的变化'>5.1.4 气体增益随传输场E_T1,E_T2和收集场E_I的变化
• 5.1.5 GEM的有效增益随环境温度的变化而变化
• 5.2 能量分辨随电压的变化的实验研究
• T2和E_D的变化'>5.2.1 三级GEM能量分辨率随E_T2和E_D的变化
• 5.3 输出与pad尺寸的关系
• 5.3.1 前置放大器输出与pad尺寸的关系
• 5.3.2 能量分辨率与pad尺寸的关系
• 5.4 本章小结
• 6 三级GEM多路pad数字获取系统的测试
• 6.1 三级GEM多路pad模型
• 6.2 数字获取系统
• 6.2.1 三级GEM数字获取系统
• 6.2.2 触发系统
• 6.2.3 软件系统
• 6.3 三级GEM多路数字读出测试结果
• 6.3.1 扫描方法成像
• 6.3.2 一次投影成像
• 6.4 本章小结
• 7 基于读出条读出的二维位置灵敏X射线气体电子倍增器的研制与测试
• 7.1 二维位置灵敏GEM探测器的第一个模型
• 7.1.1 信号时间特性
• 7.1.2 用于模拟读出的实验装置及测试
• 7.2 三级GEM二维读出条第二个模型
• 7.2.1 读出条设计及安排
• 7.2.2 信号时间特性
• 7.3 读出电子学系统的研制
• 7.3.1 GEM读出电子学设计
• 7.3.2 读出电子学系统组成
• 7.4 数据获取系统
• 7.5 读出电子学系统的调试
• 7.5.1 前端电子学的安装
• 7.5.2 基线测量
• 7.6 位置分辨的测量
• 7.6.1 读出平面感应信号的分布
• 7.6.2 位置分辨率
• 7.6.3 位置分辨随三层GEM膜电压和改变时的变化
• 7.6.4 探测器位置准确度与线性的测试
• 7.7 关于GEM用于二维模拟读出涉及的讨论
• 7.7.1 阳极和阴极读出基于重心法读出的差别
• 7.7.2 第三层GEM触发信号的的特性
• 7.7.3 电子学及数据获取系统的触发方式的考虑
• 7.7.4 'Crosstalk'的作用
• 7.7.5 读出条的接法-浮置与接地
• 7.8 本章小结
• 8 总结与展望
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢