阻性井型探測器研究進展課件

1、阻性井型探測器研究呂游核探測與核電子學國家重點實驗室中國科學技術(shù)大學第九屆全國先進氣體探測器研討會 2019-10-17 東莞1 背景介紹 高計數(shù)率阻性微井型探測器 高時間分辨多氣隙阻性井型探測器 總結(jié)報告概要2傳統(tǒng)的微結(jié)構(gòu)氣體探測器：高計數(shù)率能力高位置分辨抗輻照，大面積，低造價較好的時間分辨和能量分辨GEMMicroMegas結(jié)構(gòu)復雜，如GEM級聯(lián)放大。安裝過程復雜，如GEM的張膜，MicroMegas的繃網(wǎng)工藝。阻性微井型探測器(-RWELL)阻性厚井型探測器(RWELL & RPWELL)井型單層放大結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊簡單；使用阻性電極材料，有效抑制探測器的打火放電；探測器安裝過程簡單，無需

2、張膜、粘膠、拉網(wǎng)等復雜工藝；阻性井型探測器背景介紹3ATLAS muon 譜儀升級阻性井型探測器應用需求在下一代高亮度LHC升級實驗中，對撞機具有非常高的亮度以及極高的堆積效應LHC周長：27 km質(zhì)子-質(zhì)子對撞能量：14 TeV亮度：1034cm-2s-1高能量高亮度高計數(shù)率能力(MHz/cm2)高位置分辨(百微米)高時間分辨(亞納秒)大面積(米級)實驗需求研究方向阻性井型探測器4 背景介紹 高計數(shù)率阻性微井型探測器 高時間分辨多氣隙阻性井型探測器 總結(jié)5二維讀出阻性微井型探測器優(yōu)化后二維讀出的阻性微井型探測器，上下兩層讀出感應條信號幅度一致，達到預期效果。已成功研制出二維讀出的阻性微井型探

3、測器，得到了優(yōu)異性能，詳見 You LV, A DLC RWELL with 2-D Readout, 全國先進氣體探測器研討會(2018)。通過模擬計算對二維讀出條參數(shù)進一步進行了優(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阻性探測器計數(shù)率能力阻性電極會使得探測器收集的電荷疏散變慢，導致探測器計數(shù)率能力降低。二維讀出阻性微井型探測器計數(shù)率能力G. Bencivenni et

4、 al.,2015_JINST_10_P02008 增益隨計數(shù)率以及電阻率變化：Yi Zhou et al., NIMA927 (2019) 31-36 常規(guī)的阻性微井型探測器無法滿足高計數(shù)率環(huán)境的應用需求，必須設計新的技術(shù)以實現(xiàn)高計數(shù)率性能。7高計數(shù)率阻性微井型探測器現(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，無法印制出寬度很小，精度很高的接地線路，給探測器造成了較大的死區(qū)。在APICAL薄膜上制備導電過孔，連接上下DLC阻性電極，工藝極其復雜！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 導電過孔 無法使用標準PCB工藝由于死區(qū)、復雜的制備工藝等因素無法滿足粒子物理實驗中高計數(shù)率的應用需求8中國科大技術(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，以實現(xiàn)快速接地技術(shù)死區(qū)面積（5%）制作工藝大大簡化（標準PCB工藝）方案二，雙阻性層：使用標準PCB工藝，簡化阻性電極制作流程，提高阻性電極質(zhì)量復合阻性基材制備(尚倫霖，2019全國先進氣體探測器研討會)DLC+Cu復合阻性基材原理圖DLC+Cu 基材得益于復合阻性基材的制備，提出了新的高計數(shù)率阻性微井型探測器技術(shù)方案9高計數(shù)率阻性微井型探測器制備雙阻性層兩種高計數(shù)

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

7、探測器所有電極均為阻性電極對感應信號透明，使得雪崩后的電子能夠在讀出板產(chǎn)生感應信號。將多層阻性微井型結(jié)構(gòu)堆疊起來，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)有單獨的放大結(jié)構(gòu)。12四層 FTM 探測器基于阻性微井型探測器，CERN制備了四層的FTM探測器4層FTM探測器，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，讀出板上看不到感應信號！中國科大提出了RWELL-FTM探測器技術(shù)！感應信號拉曼定理權(quán)場正比于雪崩區(qū)長度與漂移區(qū)長度之比13高時間分辨阻性厚井型探測器使用THGEM薄膜作為放大區(qū)，制備多層的RWELL-FTM探測器: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，作為阻性陽極。性能特點：使用PCB板制備探測器的放大區(qū)，有更大雪崩距離，預期能夠得到更高的增益以及更大的感應信號幅度。整個探測器零部件均由PCB基材加工制備而成，實現(xiàn)完全國產(chǎn)化。探測器安裝過程十分快捷、迅速?？讖? 0.5mm Pitch: 1mm 厚度: 0.4mmRWELL-FTM安裝流程高時間分辨阻性厚井型探測器：RWELL-FTM14單層RWELL-FTM 性能制備單層的RWELL-FTM探測器，測試基本性能看到了X射線的信號，并能夠采集得到X射線能譜。探測器絕對增益可以達到104。受權(quán)場影響

9、，信號有離子尾巴。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探測器，測試基本性能layer2layer3layer4四層FTM同時工作時的信號降低每一層漂移區(qū)距離，降低漂移區(qū)電場，降低離子尾巴。每一層探測器單獨對X-rays均有信號響應。PCB對X-rays較強的吸收，越靠近讀出板的層數(shù)，能譜越差。首次看到了4層探測器同時工作對X射線的響應！16RWELL-FTM探測效率測試使用2個閃爍體，搭建宇宙線測試平臺，測試4層RWELL-F

10、TM的探測效率ScintillatorRWELL-FTMNe/CH4=95/5探測器工作狀態(tài)：Layer1: offLayer2:820VLayer3: 940VLayer4: 950VLayer1,Layer2 耐壓上不去，后面發(fā)現(xiàn)為高壓插件問題。探測效率約 15%示波器Sequence模式下，將信號采集下來，計算RWELL-FTM探測效率。只有Layer3，Layer4會對宇宙線信號有響應。17RWELL-FTM下一步的優(yōu)化對打孔后的PCB進一步進行軟化、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復合

11、阻性基材，提出了2種高計數(shù)率阻性微井型探測器技術(shù)方案，在已有的技術(shù)上降低了死區(qū)，簡化了探測器制備工藝。制備了高計數(shù)率阻性微井型探測器原型樣機。探測器對于X射線均有響應。目前正在研究如何優(yōu)化并進一步制作下一版本探測器原型。研究了基于阻性微井型探測器的多層FTM探測器原型。提出了RWELL-FTM的技術(shù)方案，并制備了原型樣機。原型探測器首次看到了X射線能譜，并對宇宙線有良好響應。謝謝！19Backup20二維讀出條感應信號模擬優(yōu)化前優(yōu)化后ANSYS建模，GARFIELD+模擬電子雪崩產(chǎn)生感應信號介質(zhì)讀出條電場優(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)化后測試結(jié)果Top layerBottom layerCopperSector 1能譜Bottom/TopCopper/BottomSector 11.092.03Sector 21.