大面积薄型THGEM的研制，性能研究及其应用 陈石、刘宏邦 中国科学院研究生院

Outline 大面积THGEM的研制。 较薄THGEM的性能研究。 较薄THGEM用于同步辐射X射线探测 一维弧形无像差X射线衍射仪 同步X射线监测仪（ASIC 64路）

Outline 大面积THGEM的研制。 较薄THGEM的性能研究。 较薄THGEM用于同步辐射X射线探测 一维弧形无像差X射线衍射仪 同步X射线监测仪（ASIC 64路）

THGEM Typical parameters: Thickness t = 0.4 - 3 mm 2004 由 A. Breskin 等人发明 采用标准PCB生产工艺制作 Cu G-10 Typical parameters: Thickness t = 0.4 - 3 mm Hole diameter d = 0.3 - 1 mm Pitch a = 0.7- 7 mm Chechik et al. NIM A535 (2004) 303 易于制造维护、清洁要求较GEM低、级联使用方便、相对价廉等优点 THGEM在亚mm空间分辨的粒子径迹测量上有极大的优势 在未来加速器对撞机升级中，THGEM可应用于LHC的μ子探测器升级，ILC的取样型量能器； 用于双相暗物质探测器液氙LXe闪烁光探测； 用于单光子成像，例如：环形成像切伦科夫探测器（RICH）； 用于中等分辨率、快速（ns）的X射线和中子成像等。

1.1 大面积THGEM的研制 标准 PCB 工艺 整版微蚀技术 解决了THGEM大面积制作工艺问题 Drilling Globe etching (micro etching) No holes in this area Drilling 5~10µm rim 解决了THGEM大面积制作工艺问题 经过多次尝试发现，由于光刻掩膜定位精度要求较高，导致工艺稳定性不佳，不宜大面积制作

采用整版微蚀技术制作的大面积THGEM (图左) 深圳PCB工厂制作的THGEM (右图) 采用 标准PCB工艺 30×30cm 5×5cm 10×10cm 20×20cm 采用整版微蚀技术制作的大面积THGEM (图左) 与航天二院合作开发的30×30cm2THGEM 205,000 holes ~4 days drilling 上图，与高能所量能器组合作，由章爱武等制作的20×20cm2THGEM Small rim 5~10 µm

THGEM 结构参数优化 （厚度和孔径） THGEM的结构参数包括板厚、孔径、边缘rim和孔间距 为了保证实验条件的一致（相同的制作工艺，相同的工作气体环境） 四种独立的THGEM制作在同一块PCB板上（图下） 孔径分别为300µm，400µm，500µm和600µm，其它结构参数相同 制作了两种板厚（0.5mm和1.0mm）的THGEM d=400 µm 300 µm 500 µm 600 µm 3cm×4cm 有效探测面积

THGEM 结构参数优化 （厚度和孔径） 较薄THGEM可以在较低的电压下工作 孔径较小的THGEM可以在较低的电压下工作 低的工作电压减少了因钻孔缺陷，铜边缘毛刺，FR4基板电极化等原因引起的等放电 因此，优化的THGEM应选择较薄的板厚和较小的孔径 t=0.5mm t=1.0mm Gain curves with 5.9 keV X-rays.

THGEM 结构参数优化 （边缘rim） 0.4mm 1.0mm 0.2mm 0.5mm 21个小时的增益稳定性测量 14个小时的增益稳定性测量 开始工作时，小rim（5～10µm）的THGEM很快达到稳定，100µm rim的THGEM则需要几个小时 因此， 小rim的THGEM具有较好的工作稳定性

已经搭建30×30cm2 THGEM的性能检测平台（图右）

Outline 大面积THGEM的研制。 较薄THGEM的性能研究。 较薄THGEM用于同步辐射X射线探测 一维弧形无像差X射线衍射仪 同步X射线监测仪（ASIC 64路）

薄型THGEM的性能研究 右图，厚度t = 0.2 mm, 孔径d = 0.2 mm,孔间距a = 0.5 mm，边缘rim=5～10µm的薄型THGEM 下图， 有效面积5x5cm2 的薄型THGEM探测器腔室 0.2mm 0.5mm 薄型THGEM的优点 在获得同样增益的条件下，工作电压比较低 厚度较薄，可用于中子或同步辐射束流监测 容易弯曲，可用于一维无像差X射线衍射成像 增益和能量分辨、稳定性、均匀性是衡量探测器性能的重要指标

气体增益研究 混合气中iC4H10的含量越少，达到相同增益所需的电压越低 在 Ne 混合气中, 增益达到 3x104以上 Ne/CH4(5%) Ar 100% Ar/iC4H10(5%) 混合气中iC4H10的含量越少，达到相同增益所需的电压越低 在 Ne 混合气中, 增益达到 3x104以上 在纯氩中，THGEM的增益仍然能够达到103 结论： 薄型THGEM有比较高的增益，单层就可以与三层标准GEM相当 可以满足大部分探测器应用 不同气体中薄型THGEM的增益曲线 CERN的单层 THGEM在 Ne 混合气中增益 5x104

55Fe能谱能量分辨研究 Ar/5%Xe 1 bar Energy resolution 15.9% @ Gain = 3700 Ar/iC4H10(97/3) Result from A. Breskin 2011/11/15

增益均匀性研究 影响THGEM增益均匀性的因素有 : PCB打孔的均匀性，与更换钻头的频率有关。 腐蚀均匀性，与腐蚀工艺过程控制有关。

Outline 大面积THGEM的研制。 较薄THGEM的性能研究。 较薄THGEM用于同步辐射X射线探测 一维弧形无像差X射线衍射仪 同步X射线监测仪（ASIC 64路）

平面型气体探测器像差（Parallax error）示意图, THGEM同步辐射X射线探测 粉末晶体的X射线衍射线空间方位与晶体结构相关 17 X-ray energy：8.05keV，13.9 keV photons/s：>1x1011 @ 8.05keV BSRF 漫散射实验站 平面型气体探测器像差（Parallax error）示意图, s. d. Pinto NSS/MIC, 2009 IEEE 17

一维弧形无像差X射线衍射仪 设计指标： 半径: 20cm 读出条: 320路 条宽： 0.4mm 条间距： 0.5mm 接收角度 48° 0.2 mm 厚度的薄型THGEM 易于弯曲 设计指标： 半径: 20cm 读出条: 320路 条宽： 0.4mm 条间距： 0.5mm 接收角度 48° 角分辨 0.2° 18

X光管 (Mo target 17 keV) 采样频率可达 1-3kHz 读出电流范围 0.1nA- 100nA 弧形腔室 advantage: parallax error free 准直器 1mm width X光管 (Mo target 17 keV) DDC232 32路直流读出板 1-3 kHz data rate 32 Channel Current-Input 20-bit ADC 采样频率可达 1-3kHz 读出电流范围 0.1nA- 100nA

空间分辨率: σ~0.5pitch ~0.25mm X光机 (Cu target 8 keV) 10^8 光子/s 弧形腔室 准直器 0.5mm width 弧形腔室 advantage: parallax error free 空间分辨率: σ~0.5pitch ~0.25mm X光机 (Cu target 8 keV) 10^8 光子/s

X射线二维成像初步研究（16路） 试验用射线源为漫散射组直流 X-ray 管装置（17 keV 钼靶）、 连续曝光时间最长 5 秒 16路直流读出 21

使用有12mm小孔的铅挡板，从左向右每次移动5mm 十字成像 图(7)左：铝板位置示意图 右：多路读出成像，颜色越浅表示该路上电流读数越大 22

同步X射线监测仪（ASIC 64路） 有效探测面积3×3cm 测试使用CERN And RIO Current mode Amplifier (CARIOCA)芯片。每片八路，共64路，包括前放，整型，甄别，差分并行输出。其取数率可达1MHz。 探测器和电子学组装完毕，待测。 ~（62mm X 68 mm)

经费使用情况 下步拟开展的工作 目前经费已没有结余 主要用于THGEM及腔室加工，电子学读出板加工，实验材料购买。 完成30×30cm2 THGEM的性能检测平台 完成同步X射线探测器的应用

THANK YOU !