GEM探测器与X射线成像实验

周 意，孙腊珍，孙金华

(中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥 230026)

GEM探测器与X射线成像实验

周 意，孙腊珍，孙金华

(中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥 230026)

使用2个GEM探测器系统，分别用作增益测量和位置分辨测量. 用GEM探测器测量铜靶X射线能谱，能量分辨率为21.5%. 8 keV的X射线入射双层GEM探测器，实验测量x方向位置分辨为64 μm，y方向位置分辨为68 μm. 将科研成果经过精炼、核心提取，为核与粒子物理学科的本科生开设GEM探测器和X射线成像实验，使学生对高能粒子探测技术、数据获取和处理等有整体的理解.

GEM探测器；X射线成像；位置分辨率；能量分辨率

随着核与粒子物理实验的发展，对粒子探测器的计数率和位置分辨率的要求越来越高. 以多丝正比室和漂移室为代表的气体探测器，由于丝室内部电场分布的特点和机械加工精度的限制，已经无法同时满足核与粒子物理实验高计数率和高空间分辨的要求. 1988年法国科学家A.Oed首先使用光刻技术研制出新型的气体探测器——微条气体室(Microstrip gas chamber,MSGC)[1]. MSGC微结构中的小尺寸的放大区能快速地疏散正离子，减少空间电荷的堆积，提高探测器的计数率和空间分辨能力. 中国科学技术大学近代物理系高能粒子物理实验室研发的微结构气体电子倍增 (Gas electron multiplier, GEM)探测器[2]具有位置分辨高(位置分辨好于100 μm，时间分辨～10 ns量级)、计数率高(可达100 kHz/mm2以上)、工作稳定、抗辐射能力强，很容易加工成各种形状，而且造价低廉，很适合应用于大面积的粒子径迹探测和辐射成像.

1 GEM探测器

GEM探测器的主体是由GEM薄膜构成[3]，如图1所示. GEM薄膜是在两边镀铜的聚乙烯薄膜(Kapton)上，用化学蚀刻技术将其腐蚀出许多等间距的小孔，孔的中心部分直径在50～80 μm，如图2所示.

图1 GEM薄膜照片

图2 GEM上的小孔横截面的照片

当GEM薄膜的上下表面加上一定的工作电压(～400 V)后，在小孔中心产生大于10 kV/cm的电场，如图3所示. 当电子在电场作用下经过小孔时与气体分子发生碰撞和电离产生多个次级电子，通过气体雪崩放大实现对原初电子的倍增，如图4所示[4]. GEM探测器的工作气体是Ar和CO2,体积比是7∶3. GEM探测器的雪崩放大区通常由3层GEM薄膜构成,图5显示了3层GEM探测器的结构与工作原理. 通常，GEM探测器的计数率能力达100 kHz/mm2以上，位置分辨好于100 μm，时间分辨～10 ns量级.

图3 GEM小孔对电场线的聚焦

图4 GEM探测器中的雪崩放大过程

图5 3层GEM探测器的结构与工作原理示意图

在核与粒子物理实验中，GEM探测器主要应用于高计数率环境下的径迹测量和触发，具有探测面积大且读出通道密集等特点. GEM探测器这些特性使得它在许多研究领域得到应用，如在COMPASS实验中用于高计数率环境下的粒子径迹测量与触发，应用于时间投影室(TPC)中进行二维位置测量，光子测量，X射线医学成像.

2 实验装置

使用2个GEM探测器系统，分别用作增益测量和位置分辨测量. 增益测量的GEM探测器为标准的3层结构，探测器的爆炸视图见图6. 漂移区、传输区1、传输区2和感应区的气隙宽度分别为3 mm，2 mm，2 mm，2 mm. 3层GEM薄膜由环氧树脂垫条按照3 mm-2 mm-2 mm-2 mm的间距固定，通过自张紧方法跟主框架、漂移电极和读出电极装配在一起，组成整个探测器.

图6 用于增益测量的3层GEM探测器的爆炸视图

该探测器的漂移电极由PCB板制成,同时也充当X射线入射窗的作用. 漂移电极的背面有许多直径为5 cm的盲孔，这些盲孔用来减小PCB板厚度，减少PCB板对X射线的吸收. 该探测器的读出电极也是PCB板，电极形状为5 cm×5 cm的正方形Pad组成的阵列，由于探测器的有效面积是100 cm×50 cm，因此阵列数目为20×10=200个. 每10个Pad通过1个10路的跳线开关连接到1个LEMO接头上，通过控制条线开关来选择输出某个Pad上面的信号.

进行增益刻度时，探测器的输出端直接和皮安表(Keithley 6487)相连，并通过计算机采集皮安表测量到的电流数据，最后通过计算得到探测器的有效增益.

位置分辨测量的GEM探测器是2层结构，其结构示意图如图7所示. 探测器的顶部是1层Mylar膜，用作X射线入射的窗，同时起到密封探测器的作用. 窗到漂移电极之间的气隙大约为6 mm. 窗下面是漂移电极，然后是2层GEM薄膜，漂移区、传输区、感应区的气隙均为2 mm.

图7 用于位置分辨测量的双层GEM探测器的结构

探测器的底部是读出电极. 为了测量探测器的位置分辨能力，读出电极被设计成二维的条状，如图8所示. 读出条分上下2层，2层条之间的绝缘层被腐蚀掉，使得上下2层条都能直接收集电子. 2层读出条的条间距都为400 μm，上层读出条的条宽是80 μm，下层条的条宽是350 μm.

(a)

(b) 图8 用于位置分辨测量的读出电极结构图

3 GEM探测器能谱、能量分辨率及增益测量

GEM探测器能谱、能量分辨率及增益测量测试系统如图9所示. 图中绿色线路是能谱和能量分辨率测试电路图,黑色线路及红色线路是增益测试电路. 皮安表测量探测器输出电流，定标器测量入射X光子计数率. 增益的计算公式为

其中，I为GEM探测器读出板输出的平均电流，R为入射X光子的计数率，e为电子电荷量，8.0 keV为铜X射线特征能量，26.4 eV是工作气体的平均电离能.

图9 能谱、能量分辨率及增益测试图

图10为GEM探测器测量的铜靶X射线能谱，从图10可得到能量分辨率21.5%.

图10 GEM探测器测得的铜靶X射线能谱

4 GEM探测器位置分辨测量与X射线成像

图11和图12分别为GEM探测器位置分辨测试系统电路图和现场照片. 当有X射线进入探测器并被吸收时，探测器第3层GEM膜靠近读出板表面的铜电极上会产生感应信号，感应信号经过电荷灵敏前放放大后从Timing口输出，再经过反相器、甄别器、门产生器等插件的处理转换成触发信号输送给MPD与VME控制器. APV25前端卡通电后，开始不断地对探测器信号进行取样，使模拟管道中的数据保持最新. 当MPD收到触发信号时，会向APV25前端卡发出指令，对芯片中存储的信号数据进行读取. 这些数据经过模拟脉冲整形处理器(APSP)，在APSP中根据不同的工作模式对信号进行处理. 信号经过模拟多路复用器转换为电流信号，随后加上起始位、地址位和错误标记位信息，并转换为差分信号，经APV25 I/O口输出. APV25输出的数据随后进入MPD，完成对信号的解码、数字模拟转换和数据处理后，经处理的数据通过VME总线传输到VME控制器，经USB线最终传输到PC，经进一步的数据处理，最终完成1次数据采集.

图11 GEM探测器位置分辨测量电路图

(a)

(b)图12 GEM探测器位置分辨测试系统

(a) x方向

(b)y方向图13 实验测量的双层GEM位置分辨

使用GEM探测器进行成像时，把待成像物体(如钥匙、小扳手等)放置于探测器与X射线管之间，当X射线管开启后，照射GEM探测器的X射线被待成像物体阻挡，不同材质、不同厚度的物体对X光子吸收不同. 如果把探测器的有效区域分成许多像素，就可以对每个像素上面产生的信号进行计数. 这些计数转换成灰度或者其他色谱后，就可以得到待测物体的图像[2,5]. 图14为小扳手的原图和GEM成像.

(a)原图

(b)GEM成像图14 小扳手的原图和GEM探测器成像

5 结 论

GEM探测器相比多丝正比室在计数率和空间分辨率上有显著提高. 由于GEM探测器电极自身具有对原初电离电子的放大作用，它能在大面积区域内获得均匀的增益，使用2层GEM电极的气体放大倍数可以达到104以上，能量分辨率可达21%. 因雪崩放大过程被局限在微孔内，采用微条电极读出获得更高的位置分辨. 而且雪崩放大过程中电子和离子收集过程是分开进行，减小了空间电荷效应，提高了探测器的计数率. 利用科研平台和科研成果，为核与粒子物理专业学生开设GEM探测器和X射线成像实验，使学生对高能粒子探测器、高能粒子探测技术、数据获取和处理等有整体的理解.

[1] Oed A. Position-sensitive detector with microstrip anode for electron multiplcation with gases [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 1988,263(2/3):351-359.

[2] 李澄，孙勇杰，周意，等. 一台高计数率GEM X射线成像装置原型[J]. 高能物理与核物理，2005,29(1)：68-71.

[3] 汪晓莲，李澄，邵明，等. 粒子探测技术[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2009：173-181.

[4] 周意，李澄，安少辉，等. GEM电极的三维电场分布计算[J]. 高能物理与核物理，2004,28(3)：299-303.

[5] 曾晖，孙腊珍，汪晓莲. CT计算机断层扫描成像实验[J]. 物理实验，2008,28(12)：9-12.

[6] 孙腊珍，吴雨生，李澄. μ子寿命测量实验[J]. 物理实验，2010,30(2)：1-3.

[责任编辑：任德香]

GEM detector and X-ray imaging

ZHOU Yi, SUN La-zhen, SUN Jin-hua

(Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Two GEM detector systems were used for gain and spatial measurement respectively. GEM detector measured the X-ray energy spectrum of copper target, the energy resolution was 21.5%. 8 keV X-ray entered double GEM detector, thexdirection position resolution was 64 μm, andydirection position resolution was 68 μm. After refining and extracting research achievements, GEM detector and X-ray imaging experiment was set up for the course of specialized experiment of nuclear and particle physics for undergraduates. Students finished a series of work, including particle detection, data acquisition and processing. The X-ray imaging characteristics of various samples were studied.

GEM detector; X-ray imaging; position resolution; energy resolution

2017-03-28；修改日期：2017-04-17

国家自然科学基金青年科学基金项目(No.11205151);中国科学技术大学教学改革研究项目(No.2014jyxm001)

周 意(1980-)，男，湖南桃江人，中国科学技术大学近代物理系副研究员，博士，从事高能粒子物理与粒子探测技术研究.

O572.2

A

1005-4642(2017)07-0009-05