Micromegas探测器.doc

本科毕业设计论文题 目 专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间 摘要Micromegas探测器 (MieroMeshGaseousStructure)是上世纪九十年代中期由法国saclay小组研制的一种平行板结构气体探测器。该探测器采用微网(Micromesh，协m量级厚度)把灵敏区域分成不对称的两区:漂移区(driftg即s或 eonversionspaee，3一10mm)和放大区 (amplifieationgaps，100林m量级)。工作时漂移区内的电子穿过微网到达放大区发生雪崩，并通过相应的电极进行信号收集。Micromegas探测器具有高计数率、高增益、良好的时间分辨和位置分辨、优良的抗辐照性能等一系列优点。另外，Micromegas探测器采用成熟的微电子技术和精细加工工艺，使其具有成本低廉、大灵敏面积而且读出方便等优点。这些优点使Mieromegas探测器便于与不同转换体连用以达到不同探测目的。针对Mieromegas探测器的工作性能，本文从两方面进行详细的分析和研究:物理特性模拟和研制测试。在模拟方面，用 AnsoftMell3D电场计算软件与Garfield程序包相结合，对Micromegas探测器的物理性能进行模拟研究。主要包括以下几方面:利用 AnsoftMaxwell模拟了三维电场分布情况;利用Garfield程序包不仅计算了Ar/CO:不同比例混合的气体条件下漂移速度，扩散系数等参数，还模拟了时间分辨、位置分辨等探测器的性能。这些模拟结果可以帮助我们深入了解Mieromegas的工作原理，从而给实验提供了有益的参考。关键词:Micromegas;X射线源;性能;模拟Abstraet Inthebeginningofthe1990decade，MicromegasdetectorhadbeendeveloPed byY.GiomatarisandG.CharpakinSaelaygrouPofFreneh.ItbelonMPGD(MieroPattemGaseousDetectors).Mieromegasdeteetor15averyasmetritwarallelPlateavalaneheehamber.ftusesathinmctalgridtoseParatethedrift。 regionwherethePrimaryeleetronsareProdueedfromtheamPlifieationregion(一100pmthiek)wheretheyaremultiPlied.fthasshowngreatPromiseforhandlinghigh datarateswitharatherloeoststrueture.IteanProvideverygoodgasgain，sPaceresolutionandtimeresolutionwithsmalldeadsPaees too.50it15widelyusedinany ranchofnuclearPhysiesexPeriments， themedicineimaging，andthelike. InourgrouP，wedeveloPedthefirstmciromegasdetectorinChina.The PerformaneeofMicromegas15studiedbythe3DsimulationandtheexPerimentscarefully. Keywords:Micromegas;Performanee:simulation;exPeriment;X一ray第一章引言本工作致力于研制能够满足兰州大学中子成像设备所需要的Micromegas探测器。中子成像是一种与x射线成像互补的无损探测技术，在国际上经过多年的发展，现在己经应用于多种领域的研究，在发达国家也成为航天航空领域标准的无损检测手段。难以实现高分辨率的中子位置测量，导致中子成像在国内的应用开展缓慢，一定程度上限制了国内无损检测技术的发展。Micromegas探测器不仅具有高计数率(对于光子为1沪mm一2s一1)、良好的位置分辨(100林m)、高增益下长期稳定的工作性能以及很好的抗辐照性能2，3等特性;相对于半导体探测器，它还具有低廉制作成本和易于工艺加工的特点。因此国际上有诸多小组在研制以Micromegas探测器为基础的中子成像设备。鉴于此，兰州大学核科学与技术学院开展了Micromegas探测器在快中子成像系统中的应用研究。对粒子跟踪系统要求新型的气体探测器。这类气体探测器特点为高的计数率、好的探测效率和强的抗辐射能力;同时，在端情况下物理研究也要求气体探测器具有很好的信噪比特性。另外，人们也希望在保留气体探测器(如MWPC)的优越性基础上，改进技术和工艺，研发出满足实验要求的新型气体探测器。伴随着科技水平的进步以及微电子技术(micro一 electronicfabrieationteehniques)的进步，在20世纪50年代出现了一系列新型的气体探测器一一微模式气体探测器(MPGDMicroPattemGascousDetector)21一27，它们结构特点是漂移区和放大区相互隔离且放大区间隙在一100pm量级。这类探测器主要有:GEMs28，291、Mierodots30， 311、wELL32和Micromegas探测器【10等。与常规多丝室相比较，此类探测器有易于制成大灵敏面积、抑制离子回流 (ionbackflowreduction)和光子反馈 (PhotonFeedbaekReduction)以及抗老化性能 (ageingproperties)33的优势，因而国际上诸多实验小组都在研发MPGD系列探测器，如直线对撞机(ILC)探测器上径迹室采用GEM探测器和cERN的Compass实验利用Micromegas探测器做粒子径迹测量。我们所研究的Micromegas探测器是利用厚度为pm量级的微网来将灵敏区分为不对称的两个区漂移区和放大区的一种平行板结构气体探测器10，如图1.5所示。Mieromegas探测器的良好的工作性能关键取决于其微网的制作工艺和放大区的间距均匀性。为了研究和掌握Micromegas探测器的工作原理及它与后续电子学的匹配等问题，我们依次建立灵敏面积为 50mmx50mm和 100mmXloomm的探测器模型，利用55Fe的x射线或宇宙射线对其进行了初步的性能测试，主要方面有:不同Ar/CO:气体比例下坪曲线、能量分辨、时间分辨、位置分辨以及探测效率等工作性能;也测试了不同大小的漂移区电场强度对电子透过率的影响;还研究不同制作工艺的微网对Micromegas探测器的工作性能影响。在强源度不变的放射源照射下，测量计数率随工作电压的变化，第二章粒子探测器探测器的工作原理基于粒子与物质的相互作用。当粒子通过某种物质时，这种物质就吸收其一部或全部能量而产生电离或激发作用。本章首先描述粒子探测器发展史、种类及气体探测器的工作原理;重点介绍了粒子探测器的主要性能及电子和离子在气体中的运动特性。2.1粒子探测器发展史从20世纪50年代起，原子核物理发展到粒子物理，粒子物理实验研究需要粒子加速器及相关探测设备。加速器将微小带电粒子加速到非常高的能量，速度接近光速，然后打到靶上或彼此对撞，以研究物质深层次的结构。探测器用来探测碰撞产生的微小粒子，记录各种信息，如粒子径迹、衰变产物、飞行时间、粒子动量、能量、质量等。粒子探测器的发展史正是人类对物世界的认识不断深化和实验同理论不断相互促进的历史最初的探测器(如核乳胶、云雾室、火花室和气泡室等)是利用眼睛或照相机记录信息并且成功的运用到宇宙射线和低束流的固定靶实验中。如1919年英籍新西兰物理学家卢瑟 福(EmestRutherford， 1871一 1937)用荧光屏探测器第一次观察到用a粒子轰击氮产生氧和质子的人工核反应，由此核物理迅速发展起来。核物理和宇宙线的发展反过来又带动了各种探测器的发展。本世纪二十年代到六十年代出现了核乳胶35，云雾室，火花室，流光室等径迹探测器以及电离室，正比计数器与盖格计数管和闪烁计数器等电子学探测器。新粒子的发现往往借助于当时的新型探测器，例如1932年和1936年用云雾室先后发现了正电子和林介子，1939年用电离室发现核裂变现象，1954年用气泡室发现护超子，1%1年用火花室发现林中微子等【36。值得提出的是以我国科学家为主于20世纪50年代利用气泡室发现了反艺超子37。粒子物理实验要求快速地记录愈来愈复杂的高事例率事例。由于径迹探测器记录事例速度慢且后处理需要大量人工，例如用云雾室记录一次需要几分钟，图2.2能量分辨率的定义。如果两个峰的间距大于他们的半高宽(FWHM)，就认为他们是可以被分辨。实线为两个典型的高斯峰计数总和。能量分辨与产生一个电子一空穴对所需的能量、入射粒子的能损电离的统计涨落等有关，还受探测器材料的反向漏电流、探测器输出极电容、温度、电子学噪声和反向偏压等因素的影响。入射粒子在一定条件下在某一探测介质中产生一对电子一离子对平均所需的能量，与入射粒子种类和能量关系不大，是一个常数。这个常数叫平均电离能，用w表示。若粒子在介质中的能损为E，则产生的电子一离子对数平均值n和其统计涨落标准偏差。2.2粒子探测器分类粒子探测器主要用于粒子物理实验探知粒子的存在，测量和考察其性质。它是核物理、粒子物理研究及辐射应用中不可缺少的工具和手段。当粒子和探测器内的物质相互作用而产生某种信息(如电、光脉冲或材料结构的变化)，经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量、飞行时间、速度、质量等物理量。按照记录方式，粒子探测器大体上分为计数器(以电脉冲的形式记录、分析辐射产生的某种信息)和径迹室两大类(通过记录、分析辐射产生的径迹图象测量核辐射)。粒子探测器若以粒子穿过的工作介质来区分，则有以气体为工作介质的成为气体探测器，如正比计数器、多丝正比室、漂移室、时间投影室、时间扩展室和气体切伦科夫计数器等。有以液体为探测介质如液体闪烁计数器、液氦时间投影室和气泡室等。有以固体为探测介质的如闪烁计数器、半导体探测器和原子核乳胶等。气体探测器有很多优点:技术上较成熟;变通性大(多个参数，如电场、磁场、气体种类、比例和压力、几何形状等对性能起作用);抗辐射能力强;输出的的信号幅度较大(气体的倍增作用);可从多方面获取信号，易于径迹重建等。伴随着科技发展，在保留气体探测器优越性的基础上改进结构与工艺，创作出了大量的新的满足实验要求的气体探测器。2.3粒子探测器的特性探测器是用来观察、记录粒子能量、位置以及时间等信息的装置，是核物理和粒子物理实验研究中不可缺少的设备。粒子物理实验中一个“理想的”探测器，它应具备以下良好性能:能覆盖整个(即4:)立体角;能探测、显示粒子径迹和识别所有粒子(质量和电荷);能测量粒子的动能和能量;具有快响应能力和无任何死时间。但实际上，由于工艺、技术以及其工作原理，一个实际的探测器是很难做到如此完善和“理想的”【381。2.3.1灵敏性不同粒子有不同电离(和激发)强度与动量的关系曲线，绝大多数探测器都是根据这个原理制成作为探测器。因而一定类型的探测器只对某些种类的入射粒子灵敏，而对其他粒子不灵敏，或是随入射粒子种类的不同而给出信息的形式不同，这样就便于有选择地探测所需要的粒子而排除其他不必要的核辐射干扰。没有一个探测器是能够测量所有能区各种辐射灵敏的。在选择探测器时，2.3.2探测器的坪特性在强源度不变的放射源照射下，测量计数率随工作电压的变化所示，称为坪曲线。坪曲线特征是当工作电压超过起始电压VI时，计数率有零迅速增大;工作电压继续升高时，计数率仅略随电压增大，并明显有一个坪的存在。在坪区，电压每改变100V时计数率变化的百分比称为坪斜率k。若n，为Vl时的计数率，n:为VZ时的计数率，则坪斜率为式 (2.1)所示，坪斜的原因主要是因为乱真放电随电压升高而增多，从而造成假计数增多的缘故。乱真放电的来源有:碎灭不完全和负离子的形成。2.3.3探测器影响大部分探测器可以提供辐射能的某些信息，探测器中电离相互作用产生电离对的数目正比于入射粒子在灵敏区内的能损【39。探测器响应定义为探测器在测量单位变化的某物理特性时，所输出的器脉冲幅度。2.3.4能量分辨率在核辐射能谱测量中，能量分辨是一个重要参数39，表征核辐射探测器分辨相近能量峰的本领。作为测量能量用的探测器，即使探测器对粒子所吸收的能量完全相同，所对应的输出脉冲幅度也不完全一样，即有大小不同的涨落，在能谱上就形成一个具有一定宽带的峰。式(22)为能量分辨率公式:能量分辨率是全能峰的半高全宽 E(FWHM)除以全能峰位E2.3.5响应函数和响应时间对能谱测量的探测器，探测器的响应函数是一个重要的因素，它是单能粒子入射到探测器时探测器输出的脉冲幅度。探测器响应函数决定因素有探测器的设计、结构以及电离作用形式。2.3.6时间分辨核辐射探测器的时间分辨特性用分辨时间来表征。分辨时间是两个相继出现而仍能被分开的脉冲或电离事件之间的最小时间间隔。响应时间:电离辐射发生后探测器形成信号所需的时间。当对测量仪器输入一个信号以后，它的读数将从零开始迅速到达最终读数所需的最短时间。它是探测器的时间特性。一个好的时间信号为上升沿尽可能接近垂直。死时间:从探测时间产生脉冲开始，核辐射探测器对相继产生的探测时间不能响应的一段时间间隔，用勾表示。恢复时间:从死时间结束时刻算起，至脉冲幅度值完全恢复所需要的时间间隔，用tr表示。可看出，探测器的分辨时间与电子学装置的灵敏度有关。2.3.7位置分辨对于位置灵敏探测器来说，位置分辨是一个很重要的指标。它是在不同位置入射而能被分辨开的两个粒子间的最小距离。通常用入射粒子定位误差分布曲线的标准偏差。来表示。影响位置分辨率的因素有下面几种:漂移时间测量的不确定性，包括束流宽度的影响、时间零点的晃动以及电子学的时间晃动等。盆初级电离在漂移过程中的扩散的影响。电子的扩散引起的位置的标准偏差，为公式 (2.7)所示:2.3.8探测效率探测效率 (DetectorEfficiency)l是探测器探测到的粒子数与在同一时间间隔内入射到探测器中该种粒子数的比值，即入射粒子能被记录到的百分比。入射窗的厚度与与它对入射粒子的透过率，工作气体的种类即创门对射线的吸收率，入射粒子的种类和能量等影响着探测器的效率。2.4工作气体的选择对于气体探测器，为了阻止电离的电子与正离子发生复合或吸附于负电性气体，选择吸附系数小的气体为工作介质，如惰性气体。因为不同的工作气体有着不同的X射线的吸收系数;平均电离能;电子漂移速度、纵向和横向扩散系数;增益和离子漂移时间等，所以不同的气体种类或比率将影响气体探测器的工作性能。2.5雪崩放大入射粒子(如带电粒子或X射线)入射到气体探测器在其路径上和气体介质原子或分子发生电离相互碰撞，从而“释放”出电子一离子对，即在气体介质中留下可被探测的“信息”。在许多情况下，探测器的读出电子学很难检测到原电离产生的信号。必须利用电子在气体介质中强电场之下的雪崩作用来对信号进行放大。对此过程描述放大机制、空间电荷效益和雪崩到流光放电过程。2.5.1放大机制气体探测器中的电场提供了电子漂移到读出极方向的束缚力。当电子在电场强度为E的电场中漂移，电子的能量由分布函数F(8)来确定，在两次碰撞之间，如电子增加的能量超过气体的电离能时，电子可以使气体分子的外层电子的能级激发或者电离。当产生电离时，它就会在下次碰撞时产生一对电子一离子对，电子的数目有一个变为两个。电子的雪崩放大过程就是这样得到的:电子在电场中不断加速和引起气体电离，电离产生的电子又在电场加速下引起气体的电离，如下如所:电子的数目会随着时间成倍增加直至到达阳极板。2.6气体探测器的信号形成通过前面2.5节描述可以得知，初电离的每个电子漂移到高电场区域发生雪崩而产生的诸多电子成指数分布 (Exponentaldistribution)或波利亚分布(polyadistribution)，因初电离的电子到达高电场区域的时间有略微不同，从而所测得的信号是这些电子云的叠加信息。我们最终可以在阳极上探测到负信号。2.7带电粒子在气体中的运动气体探测器是历史上最早用于测量电离辐射的一类探测器35，从最早的电离室，正比计数器，G一M计数器开始气体探测器的发