Bulk-Micromegas 研制 及同步辐射测量 张余炼 核探测与核电子学国家重点实验室 中科院高能物理研究所 探测器一组 2014.07.20 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海.

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1 Bulk-Micromegas 研制 及同步辐射测量 zhangyulian@ihep.ac.cn 张余炼 核探测与核电子学国家重点实验室 中科院高能物理研究所 探测器一组 2014.07.20 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海

2 Outline 2/21 Bulk-Micromegas 工艺  标准 Micromegas  GEM-Micromegas 同步辐射束流实验 总结 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海

3 Bulk-Micromegas 工艺 Bulk 工艺是在 2006 年由 Saclay 研究所发展出一套金属网处理、干膜刻蚀技术。 该工艺提高了间隙精度控制能力，同时采用工业用金属编织网使得成本大幅度 下降，力学强度和耐久度都大为提高 3/21 Bulk 工艺 PC1025 PCB Mask PC1025 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海

4 4/21 Bulk-Micromegas 工艺 雪崩区间隙模拟优化 上图为电场分布图 下图为电势分布图 通过 32 个不规则几何形状构建编织网结构。可以 方便的改变丝径、孔径及两丝间缝隙等参数。

5 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 5/21 不同雪崩区间隙下，相同电压产生的电场强度沿 Z 轴的变化 (V drift =-480V, V amp =-400V) 考虑探测器工艺难度和增益大小， 雪崩区宜采用 128μm 不同雪崩间隙下的增益 雪崩区间隙模拟优化 Bulk-Micromegas 工艺 雪崩间隙越小，雪崩区电场变化越剧烈 ; 当雪崩间 隙厚度大于 100μm 时, 远离金属网电场比较均匀 ; 电 场的突变集中在金属网附近。雪崩区间隙越小, 对 金属网的表面平整性和雪崩间隙均匀性要求越高. 雪崩区间隙过大，探测器在相同 电压下的增益会变小。如果要得 到更高的增益，则需要增加工作 高压。同时雪崩区间隙过大，会 影响电荷的收集，影响计数率

6 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 6/21 Bulk-Micromegas 工艺 金属网预处理 辊压 辊压后金属网丝径、网眼大小不变，编织 节点被压缩； 增益提高 2 倍。

7 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 7/21 Bulk-Micromegas 工艺 金属网预处理 拉伸 使用 0.7 kg/cm 拉力两面拉伸

8 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 8/21 Bulk-Micromegas 工艺 光源面积 80mm×80mm 采用扫描式曝光 漂移极： 400 目金属编织网制作 雪崩极： 400 目金属编织网制作 读出电极： 2×2pad 读出， pad 尺寸 100mm×100mm; 漂移区： 3mm 雪崩区： 128um 有效探测面积： 200mm×200mm 95%Ar/5%Iso 气体 最佳能量分辨率为 17.7% 探测器增益能达到 10 4 Bulk 工艺的大面积实现

9 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 9/21 Bulk-Micromegas 工艺 主要通过测量增益的均匀 性来反映； 将探测器表面平均分为 9×9 个区域，进行增益扫描； 测量微网上的输出信号幅 度； 表面增益均匀性能达到 91% 。 Bulk 工艺的大面积实现

10 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 10/21 Bulk-Micromegas 工艺 GEM-Micromegas GEM+Micromegas 能谱测量结果 @ 55 Fe GEM+Micromegas 均有工作的电子谱 Micromeg as 仅工作 的能谱 二者能谱的倍数差即 GEM 的放大倍数

11 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 11/21 Bulk-Micromegas 工艺 GEM-MM 探测器 标准探测器 GEM-Micromegas

12 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 12/21 可有效提高增益 可实现长时间稳定工作 GEM-MM 高增益下稳定工作测量 Bulk-Micromegas 工艺 GEM-Micromegas

13 同步辐射实验  同步实验探测器 从第一代发展到第二代、第三代，光子通量提高了几个数量级，探测器无法充分 发挥先进光源为研究实验提供的巨大潜力，成为同步辐射实验的瓶颈 X-ray film, 气体探测器，成像板， CCD ， pixel detector 目前应用于同步辐射的探测器主要是半导体探测器，如硅微条探测器、 CCD 、像 素探测器。但是难以大面积制作，而且价格昂贵 气体探测器是同步辐射实验定制探测器系统的最好实例 探测器光子计数率指数增长  气体探测器 Micromegas & GEM 探测器作为新型微结构气体探测器代表，具有可在高计数率 稳定工作、优秀的空间分辨和时间分辨、抗辐照、结构简单和易于大面积制作等 优势 气体探测器是小角 & 广角 X 射线散射 (WAXS, SAXS) 领域必不可少的探测工具 大面积需求 13/21 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海

14 同步辐射束流实验  实验目的 实现在单一能量 X 射线的性能测量 测量不同气体下的能量分辨 测量不同能量射线下的能量分辨 对比 GEM-MM 与 MM 高流强下的性能 实现 GEM-MM 探测器高流强稳定工作  探测器介绍 14/21 Micromegas （ MM ） GEM-Micromegas （ GEM-MM ） Gas Electron Multipliers （ GEM ）

15 同步辐射束流实验 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 15/21 同步辐射实验测试装置图  实验装置 北京同步辐射装置 1W2B 试验站 前放 ORTEC 142IH 主放 ORTEC 572 A 工作气体 90%Ar+10%CO2, 70%Ar+30%CO2 95%Ar+5%iso ， 90%Ar+10%CH4 探测器有效面积 25mm*25mm

16 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 16/21 同步辐射束流实验  入射光能量校准 为了对入射光能量进行校准，我们可以把入射光达到靶材料上，通过测量入射光强度和 透射光强度，得到该靶的吸收光谱。再与标准库中该靶材料的吸收光谱做比较，得到入 射光能量的校准 测量 8977.766eV 标准库 8978.876eV 误差 0.12% K-edge of copper

17 同步辐射束流实验结果 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 17/21 不同入射光能量下的 GEM-MM 探测器响应的能谱图 （工作气体 Ar/CO 2 = 90/10 ，均稳定工作）  实验结果 能量响应

18 同步辐射束流实验结果 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 18/21 不同能量 X 射线全能峰位线性结果 （高斯拟合峰位，四种不同气体，能量同步辐射的标定结果为 Ex -1.1ev ）  实验结果 能量线性

19 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 19/21 同步辐射束流实验结果  实验结果 能量线性

20 同步辐射束流实验结果 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 20/21 GEM-MM 不同能量下的能量分辨 （四种不同气体） 标准 MM 不同能量下的能量分辨 （四种不同气体）  实验结果 能量分辨 标准 MM 探测器的能量分辨率随入射光能量的波动较大 GEM-MM 则没有出现特别大的震荡 能量分辨率基本上好于 20% 说明了 GEM-MM 比标准 MM 探测器在同步辐射束流上的应用更有优势。

21 总结 第四届微结构气体探测器研讨会 — 威海 21/21  介绍了 Bulk-Micromegas 工艺  对 Micromegas 探测器在同步辐射 X 束流上进行了实验  对比了 GEM-Micromegas 能量分辨  由于对打火的有效抑制， GEM-Micromegas 在同步辐射实验的应 用更有优势