厚型气体电子倍增探测器THGEM在15-70keVX射线测量中的

1、厚型气体电子倍增探测器THGEM在15-70keV X射线测量中的应用作者：阎明洋，黄文谦，张帅等第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁中国科学院高能物理研究所主要内容 研究背景 实验原理与装置 实验方法 数据处理 结果与讨论 总结与展望第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁X射线与氩气的康普顿散射射线与氩气的康普顿散射/光电反应截面值光电反应截面值第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁 研究背景光电效应：光电效应： 2/75)1(ZhK)1(Z5hK 非相对论：相对论： 内

2、层电子（K层）作用为主。 随物质原子序数Z增大而急剧增大 。 随能量增加而减小：低能时减小得快，高能时减小得慢。康普顿效应：康普顿效应： 与原子外层电子作用，截面下降比光电效应缓慢。 入射光子的能量越大，反冲电子的前向性越强。 光电子角分布：入射光子能量越大，光电子 前向性约强。100KeV45 实验原理与装置：THGEM探测器THGEM探测器的整体外观 THGEM探测器是由中国科学院大学自主研制。由主腔室与电子学腔室两部分组成。 主腔室为气体倍增器，电子学腔室内读出电子学。 主腔室兼顾结构紧凑，高压绝缘与气密、噪声屏蔽。前端电子学板固定在电子学室内， 既保证稳定的电气连接与屏蔽，又减少辐照损

3、伤。 第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁 实验原理与装置：THGEM探测器 依次为网状阴极、两层THGEM膜、阳极。间隔为3mm、2mm、3mm。 双层THGEM膜在工作电压下增益；每层THGEM膜厚0.2mm。 入射光子在漂移区原初电离，经次级电离后在孔内强电场下雪崩倍增，最后被阳极 接收。各电极电位经2100V直流分压：漂移区电离区、THGEM膜的孔内电子 雪崩放大的正比区，传输区与感应区皆为较低电场的电 子渡越区，感应区内电子快 速渡越在阳极感应出负信号。 阳极分为8

4、8的正方形pad读出，与多路电子学连接。 探测器为流气室，工作气体97% Ar + 3%C4H10 。第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁64路阳极引线到电子学室，通过排插与前端 电子学板相连。前端电子学以AFE64电流测量芯片为核心，经过次级放大与ADC转换后，经由FPGA与Labview通讯。 实验原理与装置：电子学信息采集信号采集信号采集:第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁tqVCtCi AFE64系统使用16bitADC转换的电流读出，芯片使用定时门控制的积分电容C来收集积分时间里的脉冲电荷，经过转变

5、为电容的电压值V，积分时间内累积电荷量可以用等效直流电流来描述。 设计在17us131ms内可调13个档位，电容值C设计在0.1pF6.9pF内可调5个档位。 实验原理与装置：电子学直流读出 积分电容能收集的最大电荷与测量精度受ADC动态电压范围与ADC精度、电子学噪声影响。 本文使用电容最大的电荷容量为2.4pC，积分时间则根据实验现场调整，选用了 0.5ms、2ms与8ms三个档。最高等效电流测量精度达到11.6pA。 电流读出模式使用设计的取数周期，在高计数率环境下没有脉冲型电子学的堆积与电流读出模式使用设计的取数周期，在高计数率环境下没有脉冲型电子学的堆积与死时间问题，适合用于高注量的

6、死时间问题，适合用于高注量的X光测量。光测量。 X射线光源：射线光源：中国计量科学研究院的K荧光机上出射的X射线。 本文完成了探测器对6个能量点的响应实验，并通过控制荧光机的管电压和管电流，以得到每个X射线能量时不同的注量。 15.8keV，31.0keV，40.1keV，49.1keV，59.3keV，68.8keV； 实验原理与装置：光源环境第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁 1. K荧光装置出射不同的能量及注量率的X射线。 2. 通过标准电离室（RC6M）测量并计算得到THGEM所在处的通量/剂量； THGEM的响应可以视为电流效应，该电流通过

7、对电子学刻度后得到。 3. 最终得到X射线的能量/注量与探测器响应电流的关系。 实验方法第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁 实验方法 THGEM正对荧光装置前端，灵敏体积前放置RC6M型电离室。 选择THGEM 64路读出中靠近电离室、光斑中心、电子学性能较好的一路。记录相同光源下条件5分钟内THGEM探测器与RC6M电离室的输出值 （数据高斯分布，多次数据平均，减少数据离散程度）。TPkKINKKk KhHK)10()10(* 调整K荧光机的靶材料及其管电压/管电流，得到

8、了不同能量/注量的X射线。本实验研究探测器对X射线注量响应，且研究剂量当量的响应特性。采用RC6M标准电离室测量辐射场内的粒子注量。 数据处理：电离室测量粒子注量与剂量当量K：空气比释动能；：空气比释动能；NK：电离室校准因子（：电离室校准因子（4.775Gy/C)；I I：电离室：电离室电流值；电流值；KTP：温度气压修正值；：温度气压修正值； ：注量；：注量； H*(10):剂量当量。剂量当量。参考参考ICRU57号报告，国标号报告，国标JJG-393报告。报告。 第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁RC6M标准电离室第七届先进气体探测器研究研讨会

9、第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁已知等效电流源对电子学的响应刻度：已知等效电流源对电子学的响应刻度： 受实验条件限制，没有测量雪崩放大的气体增益（约104）。将探测器信号视为电流源，作为电子学的输入。为得到经过电离后形成的电流与电子学响应关系，使用已知等效电流源进行刻度。 刻度过程：刻度过程：R0与Rvar构成分压电路，通过大阻值电阻RG得到弱电流，使用皮安表测量这个电流值，将其输入AFE64电子学，得到各个积分时间下，电子学输出与电流之间的关系。 数据处理：电子学对电流的响应刻度第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁以2.4pC，积分时

10、间8ms为例，“电子学输出”与“电流”三阶拟合曲线。横坐标digital为电子学直接输出的ADC值，纵坐标为等效电流值（pA）。 数据处理：电子学对电流的响应刻度刻度结果：刻度结果：第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁 结果与讨论THGEM探测器对粒子注量探测器对粒子注量的响应曲线的响应曲线 THGEM探测器对粒子剂量当量探测器对粒子剂量当量的响应曲线的响应曲线第七届先进气体探测器研究研讨会第七届先进气体探测器研究研讨会 广西南宁广西南宁THGEM探测器对粒子注量探测器对粒子注量的响应曲线的响应曲线 在相同X射线注量下，响应曲线按照低能至高能，响应电流

11、依次减小。符合光子与气体反应截面减少的物理原因。也说明该THGEM探测器对能量有分辨能力，电子学读出系统功能完善。 响应曲线类型接近线性函数，说明探测器在宽能谱，高注量的实验中工作在线性响应区线性响应区。随着粒子的注量上升，探测器的响应电流上升曲线出现走缓的趋势，说明探测器在向饱和区靠近。 本次实验粒子的最大注量率已接近108/cm2s量级，剂量率已达到100mSv/h，说明该探测器能够在高注量率，较大剂量率的环境内具有良好的探测能力。 光子在15keV时的反应截面大小比60keV的高出约两个数量级；而响应曲线中探测效率只高出不足一个数量级（24倍）。 初步考虑是探测器的壁效应。光子不仅与工作

12、气体作用，与探测器结构材料也反应，材料密度大、原子序数高，对探测效率的补偿更多。故图中49.1keV，59.3 keV，68.8 keV三条响应曲线几乎重合。 结果与讨论 总结 1. THGEM应用于实验测量K荧光机出射的X光，得到较好的实验测量结果，工作在良好的线性响应区间良好的线性响应区间。 2. 该THGEM及电子学系统，具有双膜结构，积分电路型读出方法等双膜结构，积分电路型读出方法等特点特点；可改变GEM膜内电压值以改变有效气体增益值，调整电子学积分时间，适用于宽能区，宽动态范围注量X光的探测，尤其是低剂量。 3. THGEM具有64路输出，可以进行粒子空间分布测量。 展望 1. 提高探测粒子能量上限，应用于高能同步光（