基于国产厚型气体电子倍增器的低能电子二维位置探测器

颜嘉庆　谢宇广　胡 涛　吕军光　周 莉

1（核工业二九〇研究所　韶关 512026）2（核探测与核电子学国家重点实验室　北京 100049）3（中国科学院高能物理研究所　北京 100049）

基于国产厚型气体电子倍增器的低能电子二维位置探测器

颜嘉庆1,2谢宇广2,3胡 涛2,3吕军光2,3周 莉2,3

1（核工业二九〇研究所韶关 512026）
2（核探测与核电子学国家重点实验室北京 100049）
3（中国科学院高能物理研究所北京 100049）

为探测0.1-50MeV低能电子脉冲束流的位置分布，研制基于国产厚型气体电子倍增器（Thick Gaseous Electron Multiplier, THGEM）的二维位置探测器，位置分辨要求好于200μm，灵敏面积为50mm×50mm。THGEM的孔径为150μm、孔间距400μm、厚度100μm。用Geant4模拟了薄膜窗厚度、空气层厚度等对电子透过率和横向扩散的影响。根据模拟结果，优化了探测器的结构和设计。并用能量为5.9keV的X射线源55Fe测试不同工作气体的增益，单层最大增益好于1×104，双层最大增益好于6×104，能量分辨率好于23%。

厚型气体电子倍增器，低能电子，二维位置，Geant4

厚型气体电子倍增器（Thick Gaseous Electron Multiplier, THGEM）［1-3］是在传统气体电子倍增器（Gaseous Electron Multiplier, GEM）基础上发展起来的一种新型微结构气体探测器（Micro-Pattern Gaseous Detector, MPGD）。THGEM具有高增益、高计数率、成本低、结实耐用、不易打火、亚毫米的位置分辨等特点，在粒子物理实验和同步辐射成像等领域有广阔的应用前景［4-5］，如探测切伦科夫辐射光环、带电粒子径迹、中子等，以及同步辐射中的X射线成像和数字强子量能器等的应用［6-7］。

THGEM作为一种新型的微结构气体探测器，国内外对其制作工艺、性能等做了广泛的研究，并拓展其实际应用。而国内近几年来在THGEM的制作工艺和性能研究方面取得了较好的进展，能够制作出性能可靠、增益稳定的THGEM，并实现了工业化生产［8-10］。

本文基于国产THGEM，研制针对低能电子的二维位置分布探测器，位置分辨要求好于200μm。为此，自主研发了新的高位置分辨的THGEM，孔径为150μm、孔间距400μm、厚度100μm，其本征位置分辨可达到，如图1所示。对这种THGEM的增益、分辨率和长期稳定性等性能进行了测试，同时通过模拟对二维位置探测器进行了设计优化，以得到较好的探测效率和位置分辨率，包括：用Geant4模拟了薄膜窗厚度、材质等对电子透过率和横向扩散的影响。

图1　高位置分辨THGEM微孔结构Fig.1　Microspore structure of high resolution THGEM.

1　二维位置探测器结构

二维位置探测器的结构包括阴极、阳极、两层THGEM和读出板等，如图2所示。此粒子分布探测器要求达到对低能电子（0.1-50MeV）位置分辨≤200μm，灵敏面积达到50mm×50mm。探测器将采用两层THGEM结构，以实现＞104以上的增益并长期稳定工作。为避免边缘效应，实际灵敏范围将比指标略大，为60mm×60mm。

图2　二维位置探测器结构系统组成与原理图Fig.2　Schematic diagram and system constitute of 2D position detection.

电子通过薄膜窗入射后进入漂移区产生电离，电离电子经多级雪崩倍增放大后由感应读出平面收集。读出平面为x和y向各120道条读出，每个正方形的小pad边长为0.4mm，间隙为0.1mm，周期pitch为0.5mm，共240路电子学，全部测量电荷Q，通过重心法空间分辨螺距（pitch）≤200μm。电子学基本方案是通过国内自主研发的约16个16道/片的ASIC芯片将信号读出，然后传送到后端进行数字化并通过现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）进行判选和组装事例，最后由VME总线进行数据获取。感应条从收集板4个方向（各60路）引出，直接进入基于CASAGEM ASIC的前放板完成放大和成形。经前放处理的信号通过2-3m长的柔性板或数据排线传输到后端电子学。这样的设计能够满足探测器和前端电子学安装在真空罐内，而后端电子学和机柜在真空罐外的要求。数据最后将通过25m的光纤传输到数据采集（Data Acquisition, DAQ）主机，DAQ软件完成数据的获取、存储，同时对事例进行径迹重建和显示，以及形成二级触发。

2　Geant4模拟

为了使低能电子尽可能少受到影响，要求此二维位置探测器透射密封窗采用有机薄膜材料。窗材料一般采用Mylar薄膜，Mylar（迈拉）膜是一种坚韧的聚酯类高分子物，聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate, PET），化学简式为C10H8O4，密度1.4g·cm-3，具有良好的耐热性、表面平整性、透明度和机械柔韧性的特点。但窗的厚度会对入射粒子的透射率和横向扩散半径产生影响。因此通过Geant4模拟，来研究窗厚度对电子透过率和横向扩散的影响。模拟中的工作气体为Ar+iC4H10=97:3，工作气压为0.1013MPa。窗与漂移极之间为5mm的空气。电子能量范围在0.1-50MeV内设置合适的能量点，窗的厚度分别比较了10 μm、30 μm、50 μm、80 μm和100μm。电子的透射率和横向扩散半径的变化如图3所示。从图3（a）可以看出，在透射窗厚度相同时，随着电子能量的增加，透射率不断地增加，最后达到100%。在同一能量条件下，对能量低于5MeV段，透射率随着窗的厚度增加而不断减少。对能量为0.1MeV的电子，窗厚度为100μm时电子的透射率为0，而窗厚度为10μm时电子的透射率达到80%以上，可见透射窗的厚度对低能电子的吸收是十分明显的；当电子能量大于5MeV时，不同窗厚度下的透射率都几乎接近100%。从图3（b）可以看出，在同一透射窗厚度时，随着电子能量的增加，横向扩散半径不断地减小，最后趋向于0。在同一能量条件下，当电子能量低于25MeV时，随着窗的厚度增加，横向扩散半径不断增加，在电子能量为0.1MeV时，窗厚度为100μm，电子的横向扩散半径为0，说明没有电子透射过来；当电子能量达到25MeV及以上时，电子的横向扩散半径都小于0.2mm。综合透过率、横向扩散、机械性能的考虑，将优先采用50μm的薄膜窗厚度。

图3　透射窗的厚度对电子的透射率（a）和横向扩散半径（b）的影响Fig.3　The effect of thickness of transmission window on the electronic transmission ratio （a） and spread radius （b）.

透射窗与漂移极上表面之间的气体厚度也会使入射电子的透射率与横向扩散半径受到影响。因此，对比气体厚度在0-10mm范围内对电子的透射率和横向扩散半径的影响，如图4所示。

图4　空气层厚度对电子的透射率（a）和横向扩散半径（b）的影响Fig.4　The effect of thickness of atmosphere layer on the electronic transmission ratio （a） and spread radius （b）.

从图4（a）可以看出，对不同的气体厚度，透射率均随着电子能量而增加，最后达到100%。当电子能量大于1MeV时，10mm以内的不同气体厚度对电子的影响已经很少，基本可以忽略。在电子能量低于1MeV时，同一能量而言 ，透射率随着气体厚度的增加而减少，0mm比10mm气体厚度透射率增加10%-20%。对0.1MeV的电子，透射率最高也不过在20%左右，而对0.2MeV的电子，透射率迅速提高到60%-80%。可见气体厚度仅对0.2MeV以内的电子有明显影响。由图4（b）可以看出，气体厚度与薄膜窗厚度对电子横向扩散的影响有所不同。对不同的气体厚度，横向扩散半径在0.2MeV时均出现最大值，能量大于0.2MeV时，横向扩散半径随着电子能量的增加而不断减小，最后趋向于0。在0.1MeV能量点，横向扩散反而比0.2MeV能量点低20%-50%。对同一能量而言，横向扩散均随着气体厚度的增加。对能量小于2MeV的电子，横向扩散的影响比较明显，特别是0.2MeV时，气体厚度10mm将导致11mm的横向扩散，即使3mm气体，也将导致5mm的扩散。当电子能量达到25MeV及以上时，电子的横向扩散可以忽略。

气体厚度影响横向扩散，继而影响探测效率。因此需要在两者之间找到平衡点。显然3-5mm的气体厚度是比较合理的选择。考虑到低气压工作，因此5mm的气体厚度相对更好。

图5是能量为0.5MeV的入射电子，穿过50μm窗和5mm厚的气体达到漂移极表面的横向扩散半径分布，可见是朗道分布。

图5　0.5MeV的入射电子，经过窗和空气层达到漂移极下表面入射电子横向散射半径分布Fig.5　Spread radius distribution of 0.5-MeV electron crossing window and atmosphere layer.

阴影部分的面积表示入射电子横向扩散半径小于等于 Rmean的电子个数占总电子数的比例，约为75.35%。因此，此处用Rmean而不是Rmax来表征3/4以上电子横向扩散的影响。

3　THGEM的性能

3.1测试方法

在常温、常压和气体流速为10mL·min-1的模式下，利用55Fe的X射线源（活度是3.7×105Bq）对THGEM性能进行测试。比较了不同气体下的增益、能量分辨和增益稳定性。X射线经过准直器准直（孔径ø2mm）进入到探测器，当在漂移电极、感应电极和THGEM上下表面施加合适的高压时，由X射线产生的原初电离电子将在漂移电场的作用下进入THGEM的微孔，THGEM微孔内的强电场使电子发生雪崩倍增放大，雪崩电子将在感应电极感应出信号，并在收集电场的作用下最后被感应电极收集。高压为CAEN Mod.N470高压电源，各路独立供压。从感应极读出的信号，先经过电荷灵敏前置放大器（Ortec 142AH），然后经过主放大器（Ortec 450）进行放大成形，最后送入多道分析器（8192道），并由计算机软件记录谱形。

测试主要比较了Ar+iC4H10=97:3和Ar+CO2=90:10两种工作气体。通常，气体厚度是5mm，漂移区场强Ed=1kV·cm-1，层与层间隙2mm，传输区场强Et=1kV·cm-1，感应间隙2mm，感应区场强Ei=4kV·cm-1。THGEM电压VTHGEM根据气体和THGEM的厚度等而有不同，一般都有100V左右的工作区间。增益测试时，加压步长为10V或20V电压。

3.2增益

增益是反映MPGD性能最重要的指标。通过增益曲线可以给出探测器的工作区间和增益范围，是设置工作点和设计后端读出电子学的重要依据。利用标准的精密电容（2.36pC·V-1）对整个前放加主放系统进行了刻度，得到输入电荷数（或电荷量）与多道峰位的关系，即：

式中：a和b为拟合得到的参数。最后得：

式中：n0为5.9keV的X射线在工作气体中的原初电子数（或者电离对），此值按标准公式进行计算。

图6是在Ar+iC4H10=97:3和Ar+CO2= 90:10两种工作气体中测得的单层和双层高位置分辨THGEM的增益曲线。可以看出，这种THGEM的增益单层最高达到1×104，双层最大增益好于6×104，增益线性比较好，而且工作电压区间也高于100V。增益曲线在两种气体中的差异主要是Ar+CO2气体的工作电压要高250-300V，且最高增益略低一点。另一方面，由于工作电压较高，在此气体中的打火率也略高。

图6　THGEM在不同工作气体下的增益Fig.6　The gain of THGEM in different gases.

3.3能量分辨率

能量分辨是反映探测器对能量沉积响应性能的重要参数之一。通常气体探测器利用X射线在氩基工作气体中的能谱来测量。因5.9keV55Fe的X射线能够在氩基工作气体中激发全能峰和逃逸峰，且两峰位恰好相差一倍，因此是测量气体探测器能量分辨的理想手段。我们在Ar+iC4H10=97:3工作气体中，测试了双层THGEM的能量分辨率，用双层测试更能够直接反映二维位置探测器双层THGEM本身的能量分辨。图7为测得的55Fe的能谱图，简单处理时，用单高斯对全能峰进行拟合得到方差，而能量分辨率定义为全能峰半高宽（Full width at half maximum, FWHM）与峰位能量的比值，通过公式FWHM=2.35σ得到半高宽。测得的能量分辨约23%，为气体探测器能量分辨的正常水平。

图7　双层THGEM在Ar/iC4H10工作气体中的能量分辨Fig.7　Energy resolution of double layer THGEM in Ar/iC4H10gas.

3.4稳定性

THGEM的稳定性是其实际应用的一个关键问题。许多因素都会影响到THGEM的稳定性，例如THGEM的基材、绝缘环的大小、覆铜表面的质量等［3］。通常，尺寸小的绝缘环和光滑的覆铜表面会有较好的长期稳定性。此高位置分辨THGEM采用我们自主研发的成熟制作工艺，原则上稳定性不会有问题。但是结构参数有明显减小，孔径150μm，孔间距400μm，厚度100μm，绝缘环75μm，因此还需要对其稳定性进行实际测试。为与最终应用于二维位置探测器的实际情况尽量相同，我们采用Ar+CO2=90:10工作气体，对双层THGEM进行连续100h的增益稳定性测试。测试过程中每隔10min取一个55Fe的能谱图，拟合全能峰得到增益，结果如图8所示。从图8看到，刚开始时，增益从1.1×104缓慢上升，在25h后，增益基本维持在1.5×104左右，测试结束时，增益基本保持在了1.4×104。如果以25h之后的变化来看，则增益的变化在2000/15000=13.4%的水平。更长期的增益稳定性还需要实际的应用来检验。

图8　双层THGEM在Ar+CO2工作气体中的稳定性Fig.8　The stability of double layer THGEM in Ar+CO2gas.

4　结语

基于国产的孔径150μm、孔间距400μm、厚度100μm的高位置分辨THGEM，将能够实现位置分辨小于等于200μm的低能电子位置分布的探测。利用Geant4模拟了二维位置探测器的透射窗和空气层对入射电子的影响。透射窗的厚度对电子的透射率影响较大，气体厚度对低能电子的横向扩散半径影响明显。

50μm的薄膜窗厚度和5mm的气体厚度将比较合理。THGEM本身在Ar+iC4H10=97:3和Ar+CO2=90:10中表现出良好的增益、增益稳定性和能量分辨。单层增益达到1×104，双层好于6×104；双层增益在1.5×104水平可长期稳定工作。下一步将利用ASIC电子学对探测器的空间分辨进行实际测试。

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THGEM-based two dimension position detector for low energy electron

YAN Jiaqing1,2XIE Yuguang2,3HU Tao2,3LYU Junguang2,3ZHOU Li2,3

1（Research Institute No.290 China National Nuclear Corporation, Shaoguan 512026, China）
2（State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049, China）
3（Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

Background: The thick gaseous electron multiplier （THGEM） is homemade with the hole diameter of 150μm, pitch of 400μm, and thickness of 100 μm. Purpose: A THGEM-based 2D position detector is developed for low energy electron detection. Methods: The influences of film’s thickness, air-layer’s thickness, etc., on the electron transfer efficiency and transverse diffusion were simulated by Geant4 and using the 5.9-keV X-rays, and the gas gain, energy resolution were measured in different gas mixtures. Results: According to the simulation results, the design and structure of the detector were optimized and the maximum gas gain of single and double layer THGEMs reached 1×104and 6×104, respectively, and the energy resolution was higher than 23% for both single- and double-layer THGEMs. Conclusion: The spatial resolution is required less than 200 μm in 50mm×50mm sensitive area.

THGEM, Low energy electron, 2D position, Geant4

YAN Jiaqing, male, born in 1989, graduated from Institute of Nuclear Science and Technology of University of South China with a master’s

TL82

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.090402

——

国家自然科学基金（No.11205173）、核探测与核电子学国家重点实验室（No.H9294206T）资助

颜嘉庆，男，1989年出生，2015年于南华大学核科学技术学院获硕士学位

Supported by National Natural Science Foundation of China （No.11205173）, State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics （No.H9294206T）

degree in 2015

2016-04-01，

2016-06-21