THGEM探测器性能模拟与测试开放实验设计

李婷婷 王晓冬 曾文杰

摘  要：利用已有的微结构气体探测器科研测试平台，设计基于THGEM探测器性能模拟与测试开放实验。从实验设计到考核评价，本项目通过提炼加工部分科研实验，引导学生积极参与，将极大地增加学生实验课的学习收获，使学生在全面地观察和感悟气体探测器研发测试的过程中，进一步加深学生对专业知识的理解，激发学生的求知欲和创新性思维。

关键词：开放实验;探测器;实验设计

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）32-0041-02

Abstract： Based on the existing microstructure gas detector research and test platform， an open experiment based on THGEM detector performance test is designed. From the experimental design to the assessment and evaluation， this project guides the students to participate actively by refining and processing part of the scientific research experiments， which will greatly increase the students' learning harvest in the experimental course， and further deepen the students' understanding of professional knowledge and stimulate their thirst for knowledge and innovative thinking in the process of comprehensive observation and perception of gas detector research and development test.

Keywords： open experiment; detector; experiment design

1 概述

目前在核科學技术专业实验教学内容当中，较为基础的验证性和演示性实验占据了较多课时，以基础的实验来提高学生对理论知识以及实验操作和仪器设备的熟悉程度，学生在实验过程中的独立思考较少，且消耗课时量相对较多。同时，大多数实验仪器老旧，多年未更新、效率低下;教学项目陈旧，基本还在沿用十几年前的教学内容。在核科学技术学科高速发展的趋势下，学生接触不到最新的学科前沿，创新思维得不到充分发展。虽然，对于传统的专业实验教学来说，主要侧重于仪器工作原理、操作过程的演示和相对有限的自主探索，其主要目的在于强化学生的理论知识、培养学生的动手能力[1]。但是，科技的发展是日新月异的，再加上现代高等教理念的更新和创新型人才培养的需要，紧紧依靠常规的实验项目难以培养学生的创新意识和科研能力[2-4]。

THGEM（厚型气体电子倍增器）是一种新型微结构气体探测器，具有结构紧凑、结实耐用、造价低廉、高计数能力、高增益、易于大面积制作等优点，在粒子探测和成像领域得到了应用，尤其是在环形成像切伦科夫探测器、数字量能器、散裂中子源等一些大科学实验项目上发挥了一定的作用。本文依托南华大学先进核探测技术及核电子学科研平台与微结构气体探测器实验室，首先提炼加工一部分科研实验设计为基于THGEM探测器性能模拟与测试的开放性实验教学项目，引导学生积极参与，进一步培养学生的分析问题、解决问题、创新等多种能力。通过研发新的实验项目，将科研项目内容有条件的、有选择的转移到实验教学中，将极大地增加学生实验课的学习收获。

2 实验设计

2.1 实验目的和要求

（1）掌握微结构气体探测器的工作原理、结构参数和使用方法。

（2）学会组装测量系统和调试方法，了解THGEM探测器的应用方向。

（3）了解THGEM探测器的工作原理与特点，能够独立调研文献，合理设计实验步骤，并能够对测试结果进行深入分析。

（4）实验前应当熟知实验室安全规范，做好充分准备。

2.2 实验仪器

组装完好的THGEM探测器、供气系统、皮安表（Tektronix Keithley 6482）、前置放大器（ORTEC 142PC）、放大器（CAEN N968）、低阈值甄别器（CAEN N845）、高压电源（CAEN A1550）、恒比甄别器（ORTEC CF8000）、NIM机箱（ORTEC 4001A）、门和延时器（ORTEC GG8020）、多道分析器（CAEN N957）、定标器（CAEN N1145）、脉冲发生器（ORTEC 419）、放射源55Fe、计算机。

2.3 实验原理

THGEM探测器是金属框架密封结构的，留置若干通孔作为工作气体流通、加载高压和输出信号的通道。内部结构主要由三部分组成，依次是漂移电极（入射窗至倍增级上表面）、倍增电极（THGEM膜）和收集极（阳极），这些结构体均置于工作气体中。探测器工作时，利用高压电源和分压电路在THGEM膜两侧加上高压后，会在THGEM膜的微孔内形成强电场，射线由入射窗进入到探测器空腔内与工作气体发生反应，产生的电离电子在场强的作用下进入微孔内，并微孔内的强电场作用下发生电子倍增过程，阳极板收集后被电子学系统记录，给出脉冲信号[5]。探测器的工作条件、探测效率、能量分辨率和稳定性将影响其应用，所以通过实验测试研究其最佳工作条件和性能指标是十分重要的。

2.4 实验内容

主要实验过程分为两部分，划定方向选做实验，由学生自主决定开展哪一方面的研究性实验。其一为模拟部分，通过软件模拟出理想的实验条件;其二为实验操作，利用学校现有的实验平台和自行设计组装的国产仪器，开展实验研究和应用设计。

方向一：利用有限元方法建立微结构气体探测器的三维模型，并计算电场分布。将建模所得的THGEM结构模型导入Garfield++软件，计算THGEM膜透过率和增益。接着，进一步改变THGEM探测器工作环境的各项参数，如结构、电场和所充气体气压、配比、压强等，研究对电子透过率和增益的影响，分析各种参数的变化对探测器性能的影响。分析有效增益和漂移区电场、膜电压、收集区电场的关系，能量分辨率与漂移区电场、膜电压、收集区电场的关系。模拟软件及关键参数由指导老师给出。

方向二：利用前期计算和模拟确定的实验参数，搭建THGEM探测器测试系统，开展实验，原理框图如图1所示。采用脉冲发生器对系统进行刻度，确定电荷量与峰位的线性关系，再通过测量55Fe的能谱，寻出全能峰与逃逸峰的峰位，计算峰值比，从而验证探测系统的正比性。采用单一变量法，通过改变漂移区电场、THGEM膜电压、收集区电场，测量相应条件下55Fe的能谱，计算有效增益和能量分辨率，来确定有效增益和漂移区电场、膜电压、收集区电场的关系，能量分辨率与漂移区电场、膜电压、收集区电场的关系。探测器的稳定性可通过保持工作条件不变，持续测量能谱和用皮安电流表长时间监测电流变化等方式研究。探测器的均匀性可通过分别测试读出极板各个小分区的信号来确定，位置分辨率则通过逐通道读出电荷量，用电荷重心法确定。探测效率的计算可采用一个活度已知、形状规则的放射源55Fe穿过准直孔照射探测器灵敏区在标准条件下进行刻度。

3 教学建议

本实验主要针对核工程类专业研究生和高年级本科生作为专业课外拓展实验，当条件成熟后可转为必修实验课。实验类型为自选课题课外研究性实验项目，因为本实验带有一定量的设计性和研究性，在计划实验学时内无法完成，必须在实验教学计划以外另行安排时间，特别是利用学生的周末放假时间。这种开放性研究性实验难度自然比专业必修实验要大，但是对于提高学生的创新能力和实践能力有极大的促进作用。

在学期初，实验指导老师要制定好本学期开放实验计划，包括实验内容、时间、要求等等，学生根据自身情况报名参加。学生要在实验前进行充分的调研，确定实验方案，学习相关应用软件或相关仪器的使用说明书。实验指导老师将采取互动式教学模式，引导学生自学。在实验过程中，学生才是主体，实验指导者主要是对实验方案是否可行进行把关，并且适时给予启发或指导。在不影响安全的前提下，允许学生反复试错，让他们自己从失败中吸取教训、磨炼意志、得到成长。

整个实验完成后，要求学生撰写研究性论文作为实验报告，并开展口头形式的报告，锻炼学生的总结归纳能力与逻辑表达能力，激勵学生积极参与学术讨论和交流。

4 结束语

本项目依托核科学与技术湖南省重点学科、科研平台、微结构气体探测器实验室，将学科前沿比较新颖、成熟的科研成果转化为学生的实验项目。实验内容主要包括文献调研、实验方案设计、实验操作过程、结果分析和讨论、实验报告、撰写研究性论文等。研究表明：针对核类专业学生开设THGEM探测器性能模拟与测试开放实验项目，不仅能进一步夯实学生的专业基础知识，还能增强其动手能力、培养其创新精神。

参考文献：

[1]俞远志，张立庆，傅晓航.开放性实验教学模式的实践与思考[J].实验室研究与探索，2012，31（003）：153-155.

[2]王志华，王明静，李小池.材料腐蚀与防护综合实验设计与实践[J].实验技术与管理，2019，36（02）：99-101.

[3]扈旻，邓北星，马晓红，等.科研成果转化为实验教学内容的探索与实践[J].实验技术与管理，2012，29（010）：21-23.

[4]胡胜亮，王延忠，林奎，等.科研成果向创新性实验教学的转化与实践[J].实验室科学，2012，15（003）：170-172.

[5]尤文豪.大面积GEM探测器的研制及应用研究[D].中国科学技术大学，2018.