李科1,2)，周健荣2)，周良2)，孙志嘉2)，胡碧涛1)，陈元柏2） 密闭式GEM中子探测器的研究 李科1,2)，周健荣2)，周良2)，孙志嘉2)，胡碧涛1)，陈元柏2） 1) 兰州大学 2)中国散裂中子源(CSNS) 2)高能物理研究所 第五届全国微结构气体探测器会议，兰州，2015

目录 研究背景 中子探测的特殊性 密闭式探测器的整体设计 关键部件的研究 关键技术的研究 总结 2

GEM upgrade of the ALICE TPC 1.研究背景 GEM探测器国际发展与现状 Heidelberg University KEK GEM upgrade of the ALICE TPC CMS GEM Project LS2 GE1/1 研究现状： 1. 带电粒子或光子探测：大面积、大型谱仪径迹探测器 2. 中子探测：小面积(0.2m*0.2m)、高通量、高精度探测器 3. 工作模式：流气式，大面积探测器内部放气物质种类多，难以除气，难以实现密闭探测器 3

1.研究背景: CSNS 涂硼GEM中子探测器研究现状 密闭探测器研究动机： 密闭探测器研究目标： 性能参数 设计指标 有效面积 50mm*50mm 热中子注量率 <109n/cm2.s 位置分辨率 <3mm(FWHM) TOF时间分辨率 <1μs 探测效率@1.8Å ～4% 总计数率 >1MHz 工作模式 实时监测 50mm 流气式GEM中子探测器技术趋于成熟，探测器关键技术基本实现国产化，工作时需要额外配置供气系统。 密闭探测器研究动机： 中子散射实验要求探测器长期稳定工作，密闭探测器与外界隔绝，稳定性高 在谱仪大厅，出于安全、空间限制、气体排放限制等，不便使用流气式探测器 在移动场景、临时测试场地，不便携带气体钢瓶 密闭探测器研究目标： 两种探测器：计数型和位置灵敏型 以大科学工程应用为驱动，满足国内在建的中子散射实验装置的需求 实现小型化、系统集成，关键技术全部国产化 4

2.中子探测的特殊性 中子的特殊性： 电中性 ，穿透力强，轻元素敏感 非单能(能谱)，探测效率随能量变化 伴随较强γ射线及高能快中子 能活化大部分物质，产生次级粒子 GEM Ar/CO2 ｎ 涂硼漂移电极 漂移区 感应区 Neutron beam monitor 5 王拓开题报告

3.密闭式探测器的整体设计 探测器部件材料选择 探测器结构： 系统布局： 高压 前端电子学 探测器 IHEP-nTHGEM Ar/CO2 (90/10) 2mm 4 mm ｎ a or 7Li 3kV/cm 1 kV/cm IHEP-BUAA 涂硼漂移电极 单路计数 或者二维读出 漂移区 感应区 基于密闭式探测器整体设计考虑，要求各部件对中子束流散射小、耐高温烘烤、释气少，各部件材料选择如下： 腔体材料选用铝合金 选用多针feedthrough接头，采取焊接方式 研发中子专用陶瓷基材nTHGEM膜 PCB读出板换用柔性Kapton材料 关键技术： 密封和Outgassing 系统布局： 高压 前端电子学 探测器 6

有效面积：50mm×50mm，100mm×100mm，200mm×200mm 4.关键部件的研究 Copper Ceramics Drilling Au 陶瓷nTHGEM研制(谢宇广) 有效面积：50mm×50mm，100mm×100mm，200mm×200mm 单位 GEM 膜 绝缘介质 孔直径d(μm) 孔心间距p(μm) 铜厚(μm) 膜总厚(μm) 敷铜率ɳ IHEP nTHGEM 陶瓷 200 600 20 90% 7

4.关键部件的研究 陶瓷nTHGEM的测试 x 铜靶X光机(8keV)测试 55Fe_X射线(5.9keV)测试 Ar/CO2 (90/10) Di=2 mm Dd=4 mm x Ei Ed Cathode Preamplifier+MCA HV-in GND R1 R2 R3 10MΩ Active area 50mm*50mm 探测器 进气 出气 X光管 铜靶X光机(8keV)测试 55Fe_X射线(5.9keV)测试 8

4.关键部件的研究 252Cf中子源测试 计数率坪曲线，合适选取工作电压 计数率稳定性涨落16% 计数率稳定性测试 E字成像 9

4.关键部件的研究 信号读出柔性电路板 换用柔性Kapton材料： 有效面积50*50mm 64 路: 32 ch(x)+ 32ch(y) 条连接方式：三角块连接 换用柔性Kapton材料： PCB厚度由1mm降低至0.56mm，减少了束流穿过的物质量，降低了中子散射 耐200 ℃以上的高温，可烘烤，放气少，耐老化、耐辐照 Geant4 10

4.关键部件的研究 电子学小型化、集成化 1）计数型电子学：AMPTEK A111，单路前放耦合甄别器芯片，直接输出TTL信号 探测器 A111前端电子学 TTL输出 2）二维位置灵敏读出电子学：32路(x)+32路(y)，ASIC+FPGA+usb读出 FPGA 读出条 前放+成形 符合电路 甄别器 击中事例 (x,y,t) DAC 64路 (x、y方向) USB读出 电脑 &数据获取 ASIC 11

4.关键部件的研究 高压电源前端集成 12V低压输入，经高压模块升压转换，由电阻链分配输出3路负高压 ISEG高压模块 低压控制 3路高压输出 电压监测 电流监测 12V输入 12V低压输入，经高压模块升压转换，由电阻链分配输出3路负高压 封装后高压电源尺寸： 110*74.6*40 mm 高压电源性能参数： 输入电压 输出电压 控制电压 高压纹波 参数 12V 0-3000V 0-5V <20mV 优势： 高压电源前移至近探测器端，与探测器集成，可以减少高压电源长距离传输的影响，提高探测器信号质量 探测器输入输出为低压，没有高压，可用于真空环境，防止高压打火 专用化，小型化及集成化 12

5.关键技术的研究 腔体设计与焊接 实验用密闭腔体的机械设计、密封的螺栓分布与预紧力的计算 铝与不锈钢焊接：钎焊料过渡、铝和不锈钢复合板过渡、镍层过渡 显示铝与不锈钢焊接漏率：1×10-11 mbar.l /s 复合材料刀口法兰 焊接处 微弧氧化的铝腔体 未氧化的铝腔体 采取复合板过渡焊接工艺，将铝和不锈钢焊接，保证泄漏率较小，方便后续试验测量，为以后feedthrough接头焊接提供经验 13

5.关键技术的研究 腔体密封圈选择 选用弹簧金属密封圈，漏率为1×10- 11 mbar.l /s，且具有一定的回弹性（0.8mm），减少烘烤后冷却带来的密封问题 密封类型 加工尺寸限制 潜在的密封能力（mbar.l/s) 工作温度范围（℃） 需要的密封载荷(N/mm) 优点 缺点 铜垫片 300mm (maxi dia.) 1*10^-10 +400 -269 350 价格低；耐辐照；高寿命 有限尺寸； 法兰与密封圈需要很好的表面，一般用于刀口密封；重复密封次数少 铝制带刀口密封圈 1000mm(maxi dia.) 1*10^-9 +80 120 低密封载荷；批量生产价格比较便宜 烘烤温度不高；不能够用于低温环境；不能够重复使用；加工不容易 橡胶密封圈 没有 1*10^-7 +200 -40 20 价格低；低密封载荷；可以重复使用；适用任何形状 有限的性能；有限的烘烤温度；对辐照敏感；有限的寿命 螺旋弹簧密封圈 2000mm(maxi dia.) +300 （Aluminum) 低密封载荷；烘烤温度高；耐辐照；可以做成非环状； 价格高；不能够重复使用 +450 (Copper lining) 150 14

5.关键技术的研究 铝腔体表面处理——微弧氧化 通过电解液与相应电参数的组合，在铝合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层 在密闭腔体表面生长出50微米氧化铝陶瓷晶体薄膜，减少腔体内部的气体释放 项目 真空镀氮化钛膜 氧化铝膜 微弧氧化 阳极氧化 硬质阳极氧化 磁控溅射 最大厚度（微米） <1 300 <40 50-80 吸附氢气、水等能力 强 弱 较强 抗热冲击 高温下容易脱落 可承受2500℃以下的热冲击 差 均匀性 内外不均匀 内外均匀，基本是晶体相 产生“尖边”缺陷 15

5.关键技术的研究 微弧氧化前后的实验对比 实验腔体整体测试： 未氧化 微弧氧化后 出气率测试对比： 未氧化： 3.45×10-14 mbar.l /(s.cm2) 微弧氧化：3.11×10-14 mbar.l /(s.cm2) 残余气体组分对比： 无论腔体氧化与否，残余气体主要成分是氢气、水、一氧化碳、二氧化碳等。微弧氧化后氢气含量是没有氧化的64%，水、一氧化碳、二氧化碳降了一个数量级 H2：3.83 ×10-12 H2O：5.85 ×10-13 CO：3.90 ×10-13 CO2：3.90 ×10-13 H2：2.46 ×10-12 H2O：4.17 ×10-14 CO：3.82 ×10-14 CO2：2.12 ×10-14 未氧化 微弧氧化后 实验腔体整体测试： 采用带弹簧金属密封圈进行密封、铝不锈钢复合板过渡焊接、腔体表面微弧氧化、150℃高温72小时烘烤，并抽到10- 7 Pa，杂质气体生成率为10- 14 mbar.l /（s. cm2)，即一年内产生的杂质气体比例为0.1‰ 16

5.关键技术的研究 探测器组装和充气处理 超声波清洗 洁净室组装 烘烤状态下充气 抽真空 多次循环 技术指标： 充气压力: 0-10 bar 烘烤箱 技术指标： 充气压力: 0-10 bar 充气气体 : Ar, CO2（比例可调） 真空度: 10-4 Pa 烘烤温度: <300℃ 17

总结 完成了关键部件的测试 完成了密闭式腔体的研究设计 探测器加工和组装（正在进行） 研究充气处理工艺和探测器长期稳定性问题 18