阻性井型探測(cè)器研究進(jìn)展課件

1、阻性井型探測(cè)器研究呂游核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)第九屆全國(guó)先進(jìn)氣體探測(cè)器研討會(huì) 2019-10-17 東莞1 背景介紹 高計(jì)數(shù)率阻性微井型探測(cè)器 高時(shí)間分辨多氣隙阻性井型探測(cè)器 總結(jié)報(bào)告概要2傳統(tǒng)的微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器：高計(jì)數(shù)率能力高位置分辨抗輻照，大面積，低造價(jià)較好的時(shí)間分辨和能量分辨GEMMicroMegas結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如GEM級(jí)聯(lián)放大。安裝過(guò)程復(fù)雜，如GEM的張膜，MicroMegas的繃網(wǎng)工藝。阻性微井型探測(cè)器(-RWELL)阻性厚井型探測(cè)器(RWELL & RPWELL)井型單層放大結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單；使用阻性電極材料，有效抑制探測(cè)器的打火放電；探測(cè)器安裝過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)需

2、張膜、粘膠、拉網(wǎng)等復(fù)雜工藝；阻性井型探測(cè)器背景介紹3ATLAS muon 譜儀升級(jí)阻性井型探測(cè)器應(yīng)用需求在下一代高亮度LHC升級(jí)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)撞機(jī)具有非常高的亮度以及極高的堆積效應(yīng)LHC周長(zhǎng)：27 km質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞能量：14 TeV亮度：1034cm-2s-1高能量高亮度高計(jì)數(shù)率能力(MHz/cm2)高位置分辨(百微米)高時(shí)間分辨(亞納秒)大面積(米級(jí))實(shí)驗(yàn)需求研究方向阻性井型探測(cè)器4 背景介紹 高計(jì)數(shù)率阻性微井型探測(cè)器 高時(shí)間分辨多氣隙阻性井型探測(cè)器 總結(jié)5二維讀出阻性微井型探測(cè)器優(yōu)化后二維讀出的阻性微井型探測(cè)器，上下兩層讀出感應(yīng)條信號(hào)幅度一致，達(dá)到預(yù)期效果。已成功研制出二維讀出的阻性微井型探

3、測(cè)器，得到了優(yōu)異性能，詳見(jiàn) You LV, A DLC RWELL with 2-D Readout, 全國(guó)先進(jìn)氣體探測(cè)器研討會(huì)(2018)。通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)二維讀出條參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行了優(yōu)化。Top layerBottom layerCopperTop layer: 60 m Bottom layer: 350 mDistance : 25 mTop layer: 80 m Bottom layer: 350 mDistance : 50 m優(yōu)化6阻性探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力阻性電極會(huì)使得探測(cè)器收集的電荷疏散變慢，導(dǎo)致探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力降低。二維讀出阻性微井型探測(cè)器計(jì)數(shù)率能力G. Bencivenni et

4、 al.,2015_JINST_10_P02008 增益隨計(jì)數(shù)率以及電阻率變化：Yi Zhou et al., NIMA927 (2019) 31-36 常規(guī)的阻性微井型探測(cè)器無(wú)法滿足高計(jì)數(shù)率環(huán)境的應(yīng)用需求，必須設(shè)計(jì)新的技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高計(jì)數(shù)率性能。7高計(jì)數(shù)率阻性微井型探測(cè)器現(xiàn)有方案Geometrical acceptance： 66%/90% 在DLC表面使用絲網(wǎng)印刷方法添加快速接地線路，無(wú)法印制出寬度很小，精度很高的接地線路，給探測(cè)器造成了較大的死區(qū)。在APICAL薄膜上制備導(dǎo)電過(guò)孔，連接上下DLC阻性電極，工藝極其復(fù)雜！單阻性層快速接地方案 Grid-pitch 6mm/12mm Dead a

5、rea 2mm/1.2mm 雙阻性層快速接地方案 導(dǎo)電過(guò)孔 無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)PCB工藝由于死區(qū)、復(fù)雜的制備工藝等因素?zé)o法滿足粒子物理實(shí)驗(yàn)中高計(jì)數(shù)率的應(yīng)用需求8中國(guó)科大技術(shù)方案方案一，單阻性層：使用光刻技術(shù)，在DLC表面制備精密的銅電路，以實(shí)現(xiàn)快速接地技術(shù)死區(qū)面積（5%）制作工藝大大簡(jiǎn)化（標(biāo)準(zhǔn)PCB工藝）方案二，雙阻性層：使用標(biāo)準(zhǔn)PCB工藝，簡(jiǎn)化阻性電極制作流程，提高阻性電極質(zhì)量復(fù)合阻性基材制備(尚倫霖，2019全國(guó)先進(jìn)氣體探測(cè)器研討會(huì))DLC+Cu復(fù)合阻性基材原理圖DLC+Cu 基材得益于復(fù)合阻性基材的制備，提出了新的高計(jì)數(shù)率阻性微井型探測(cè)器技術(shù)方案9高計(jì)數(shù)率阻性微井型探測(cè)器制備雙阻性層兩種高計(jì)數(shù)

6、率阻性微井型探測(cè)器均已制作完成。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，在 Ar/CO2 (70/30)工作氣體下，都能看到X射線信號(hào)。耐壓不高(470V)，DLC面電阻率低。正跟CERN PCB WorkShop 的 Rui 溝通，準(zhǔn)備優(yōu)化并制備下一版探測(cè)器。CopperGrounding line單阻性層DLC10 背景介紹 高計(jì)數(shù)率阻性微井型探測(cè)器 高時(shí)間分辨多氣隙阻性井型探測(cè)器 總結(jié)11高時(shí)間分辨阻性微井型探測(cè)器(FTM)FTM: Fast timing micropattern gaseous detectorFTM的多層結(jié)構(gòu)，降低了每一層探測(cè)器的氣隙，能夠有效的減小原初電離所帶來(lái)的時(shí)間晃動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快時(shí)間分辨。

7、探測(cè)器所有電極均為阻性電極對(duì)感應(yīng)信號(hào)透明，使得雪崩后的電子能夠在讀出板產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。將多層阻性微井型結(jié)構(gòu)堆疊起來(lái)，使得較厚的漂移區(qū)分割成許多層薄的漂移區(qū)，每一層漂移區(qū)有單獨(dú)的放大結(jié)構(gòu)。12四層 FTM 探測(cè)器基于阻性微井型探測(cè)器，CERN制備了四層的FTM探測(cè)器4層FTM探測(cè)器，放大區(qū)厚度為50 m，每一層漂移區(qū)為250 m，采用二維條狀讀出陰極上能夠看到電流信號(hào)，讀出板上看不到感應(yīng)信號(hào)！中國(guó)科大提出了RWELL-FTM探測(cè)器技術(shù)！感應(yīng)信號(hào)拉曼定理權(quán)場(chǎng)正比于雪崩區(qū)長(zhǎng)度與漂移區(qū)長(zhǎng)度之比13高時(shí)間分辨阻性厚井型探測(cè)器使用THGEM薄膜作為放大區(qū)，制備多層的RWELL-FTM探測(cè)器:在PCB表面鍍D

8、LC，打孔之后作為放大區(qū)。在PCB上下表面鍍DLC，作為每一層的漂移電極。在讀出板上鍍DLC，作為阻性陽(yáng)極。性能特點(diǎn)：使用PCB板制備探測(cè)器的放大區(qū)，有更大雪崩距離，預(yù)期能夠得到更高的增益以及更大的感應(yīng)信號(hào)幅度。整個(gè)探測(cè)器零部件均由PCB基材加工制備而成，實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化。探測(cè)器安裝過(guò)程十分快捷、迅速?？讖? 0.5mm Pitch: 1mm 厚度: 0.4mmRWELL-FTM安裝流程高時(shí)間分辨阻性厚井型探測(cè)器：RWELL-FTM14單層RWELL-FTM 性能制備單層的RWELL-FTM探測(cè)器，測(cè)試基本性能看到了X射線的信號(hào)，并能夠采集得到X射線能譜。探測(cè)器絕對(duì)增益可以達(dá)到104。受權(quán)場(chǎng)影響

9、，信號(hào)有離子尾巴。8 keV Copper X-rays-HV-HVDrift: 3 mm Ne:CH4=95:515四層RWELL-FTMDrift: 1mm Ne:CH4=95:5layer1制備四層的RWELL-FTM探測(cè)器，測(cè)試基本性能layer2layer3layer4四層FTM同時(shí)工作時(shí)的信號(hào)降低每一層漂移區(qū)距離，降低漂移區(qū)電場(chǎng)，降低離子尾巴。每一層探測(cè)器單獨(dú)對(duì)X-rays均有信號(hào)響應(yīng)。PCB對(duì)X-rays較強(qiáng)的吸收，越靠近讀出板的層數(shù)，能譜越差。首次看到了4層探測(cè)器同時(shí)工作對(duì)X射線的響應(yīng)！16RWELL-FTM探測(cè)效率測(cè)試使用2個(gè)閃爍體，搭建宇宙線測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試4層RWELL-F

10、TM的探測(cè)效率ScintillatorRWELL-FTMNe/CH4=95/5探測(cè)器工作狀態(tài)：Layer1: offLayer2:820VLayer3: 940VLayer4: 950VLayer1,Layer2 耐壓上不去，后面發(fā)現(xiàn)為高壓插件問(wèn)題。探測(cè)效率約 15%示波器Sequence模式下，將信號(hào)采集下來(lái)，計(jì)算RWELL-FTM探測(cè)效率。只有Layer3，Layer4會(huì)對(duì)宇宙線信號(hào)有響應(yīng)。17RWELL-FTM下一步的優(yōu)化對(duì)打孔后的PCB進(jìn)一步進(jìn)行軟化、刻蝕、沖洗處理，空氣中耐壓明顯提升。軟化刻蝕沖洗2. 優(yōu)化PCB的厚度以及孔徑、孔間距等參數(shù)。400 m800 m18總結(jié)基于DLC復(fù)合

11、阻性基材，提出了2種高計(jì)數(shù)率阻性微井型探測(cè)器技術(shù)方案，在已有的技術(shù)上降低了死區(qū)，簡(jiǎn)化了探測(cè)器制備工藝。制備了高計(jì)數(shù)率阻性微井型探測(cè)器原型樣機(jī)。探測(cè)器對(duì)于X射線均有響應(yīng)。目前正在研究如何優(yōu)化并進(jìn)一步制作下一版本探測(cè)器原型。研究了基于阻性微井型探測(cè)器的多層FTM探測(cè)器原型。提出了RWELL-FTM的技術(shù)方案，并制備了原型樣機(jī)。原型探測(cè)器首次看到了X射線能譜，并對(duì)宇宙線有良好響應(yīng)。謝謝！19Backup20二維讀出條感應(yīng)信號(hào)模擬優(yōu)化前優(yōu)化后ANSYS建模，GARFIELD+模擬電子雪崩產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)介質(zhì)讀出條電場(chǎng)優(yōu)化前參數(shù):Top layer: 80 mBottom layer: 350 mDistance : 50 m優(yōu)化后參數(shù):Top layer: 60 mBottom layer: 350 mDistance : 25 m21優(yōu)化后測(cè)試結(jié)果Top layerBottom layerCopperSector 1能譜Bottom/TopCopper/BottomSector 11.092.03Sector 21.