PTFE-THGEM的初步性能研究 谢文庆 清华大学工程物理系 2012-12
大纲 PTFE-THGEM简介 不同气体下的有源测试 低温测试情况 小结
背景 CDEX@反符合探测器 图 CDEX低温器 图 GPM反符合探测器原理示意图
PTFE-THGEM简介 THGEM一般利用传统的PCB板材FR4/G10 PTFE(聚四氟乙烯)全部由轻元素C和F组成，放射性极低，十分适合用在暗物质探测这类需要低本底设备的实验中 PTFE被称为“塑料王”，化学稳定性强，电绝缘性好，有良好的抗老化能力，耐温优异，可以在-190℃～250℃下长期工作，允许骤冷骤热
PTFE-THGEM简介 和传统PCB 相比，PTFE-THGEM制作的难度之一在于Cu层是否能牢固的覆着在PTFE板上 PTFE-THGEM的加工主要分两个步骤，即机械打孔和全局腐蚀。成品的期望参数，厚度0.38mm，孔径0.3mm，pitch 0.7mm，rim 50μm 目前已加工4批
PTFE-THGEM #2 实物照片 50倍放大图 20倍放大图 图1
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暗电流测试 测试地点：10万级洁净间（温度24℃/湿度50%，湿度略低于普通室内） 测试条件：通N2 4h后 测量设备：KELTHLEY 6517A（提供高压&pA电流计） 测试要点：注意测试对象极化问题，每次加压后都需要一定的时间进行“老化”
暗电流测试 由图可见电压和电流基本成线性，斜率即PTFE-THGEM 的电阻值，为90.41GΩ，与FR-4或G10的板材做成的THGEM相比，前者是后者的1/100乃至几百分之一，属于可接受的电阻水平 图2 PTFE-THGEM #1暗电流测试结果
有源测试一：Ar/iso(95/5)环境 环境温度23.6℃，湿度58.2% 放射源：mini-X Ray 掠射铜靶产生的8.09keV的单能射线 由PTFE-THGEM #2作为主体组装的探测器示意图见图1 预先通气48h+ PTFE-THGEM 2mm@3kV/cm 5mm@0.5kV/cm 流气Ar/iso=95/5 图3 PTFE-THGEM放射源测试装置 示意图
Ar/iso(95/5)环境 FWHM=20.5% 图4 PTFE-THGEM#2测得的单能射线能谱 图4中PTFE-THGEM上的高压依次增加，标题上进行了标注和区分。实验表明PTFE-THGEM上加高压650V时开始工作。
Ar/iso(95/5)环境 实验对PTFE-THGEM #2上加高压730V，每分钟记录一次多道上的峰位，整个时长15min(限于X光机的工作要求)，增益下降为初始的92.8%。 图5 PTFE-THGEM#2稳定性测试
有源测试二：纯Ar环境 图6 PTFE-THGEM#2在纯Ar中测得的单能射线能谱 图6中PTFE-THGEM上的高压依次增加，标题上进行了标注和区分。实验表明PTFE-THGEM上加高压1000V时开始工作。
增益&问题讨论 纯Ar VTHGEM=1100V Ar/iso=95/5 VTHGEM=750V 图7 PTFE-THGEM#2在不同气体中的增益 获取同样的增益，纯Ar下需要的高压(1100V)远大于在Ar/iso（95/5）中(750V)。同样电压下是不是应该在纯Ar中先有信号？
纯Ar环境--问题讨论 在对PTFE-THGEM #2的测试过程中，对比纯Ar环境和Ar/iso=95/5的环境，发现在没有淬灭气体的纯Ar中，获取同样增益需要的电压更高，如上页图中所示。 惰性气体Ar掺杂了淬灭气体（异丁烷）后，气体的雪崩得到抑制，按照这个思路，获得同样的增益，混合气体需要相对较高的电压，或者说纯Ar开始雪崩的电场强度较低。但是上述实验出现了相反的现象。
原因猜测 工作气体发生了某种变化，导致混合气体比单一气体的击穿电压减小； Penning effect是一个需要重点考虑的因素。
Penning effect 潘宁效应(Penning effect)是气体放电中一种常见的现象，发生在混合气体中的某两种气体之间。当某一激发态原子的激发能大于和它相撞的原子的电离能，潘宁电离就发生了。 反应式 𝐴 ∗ +𝐵→𝐴+ 𝐵 + +𝑒+∆𝐸 𝐴 ∗ +𝐵→𝐴+ 𝐵 +′ +𝑒+∆𝐸
Penning effect Ar和isobutane的亚稳态能级和电离能分别如下： Argon – Isobutane Argon S-Level P-Level D-Level Ion. Argon 7.4 9.7 10.67 11.55 13.0 14.0 15.7 17.0 eV Exc.1 Exc.2 ion Exc.3 Argon – Isobutane
模拟计算 气体探测器中 𝐺= 0 𝑑 𝛼 𝐸 𝑥 𝑑𝑥 式中，d为探测器漂移极到收集极间的距离，α为汤森第一电离系数，描述了电子在单位距离上与气体发生碰撞电离的次数，随场强发生变化。 模拟计算选取气体的α作为计算对象
模拟计算结果 图8 Townsend coefficient α in Ar 95% and iso 5%
模拟计算结果 图9 Pure Ar与混合气体的Townsend coefficient对比
模拟计算结果 与实验结果对比，取Ar和Ar/iso(90/10)， 𝑉 𝑇𝐻𝐺𝐸𝑀 =700V， 𝐺 mix / 𝐺 𝐴𝑟 ≈2 在THGME孔内，电场近似为平行板电场，则𝐺= 𝑒 𝛼𝑑 ，d为板厚，代入计算所得α，可得 𝐺 mix / 𝐺 𝐴𝑟 ≈3.5(penning) ≈0.4(no penning) 图10 Pure Ar与混合气体的Townsend coefficient对比
Penning effect与淬灭作用 图11 isobutane占不同比例下的Ar/iso中的Townsend coefficient变化
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低温测试 液氮 Ar outlet Ar inlet X-ray SHV Signal pt100 PTFE-THGEM 和实际装置搭建照片（右）
低温测试 需要注意的问题 低温下工作气体的选择及其变化 低温下电子学设备的选择 图13 PTFE-THGEM在低温下增益情况
小结 已经可以制作PTFE-THGEM，但成品率不高； PTFE-THGEM在Ar及其混合气下可以工作，单层的增益超过6000；
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