2、中国科学院高能物理研究所，核探测与核电子学

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1 2、中国科学院高能物理研究所，核探测与核电子学
M-THGEM及CCD光读出研究 彭志远1、谢宇广2、李更兰2 1、广西大学 2、中国科学院高能物理研究所，核探测与核电子学 国家重点实验室 第七届全国先进气体探测器研讨会、2017年11月11日

2 主要内容 M-THGEM 基于厚GEM和CCD的成像探测器研究进展 总结 实验室厚GEM研究现状 M-THGEM研制 M-THGEM性能测试
光读出探测器设计 CCD、PMT光读出初步测试 总结

3 实验室厚GEM研究现状 FR-4 厚GEM具有增益高、造价便宜、结实耐用、亚毫米级的位置分辨、易于大面积制作等优点。
我们研制了陶瓷、FR4（环氧树脂）、PTFE（聚四氟乙烯）和Kapton（聚酰亚胺）共四种高性能基材THGEM，并将他们应用于TPC探测器、PDD探测器以及中子探测等。 其中FR-4具有工艺成熟、易于加工、成本低廉的优势。 FR-4指的是一种耐燃材料的等级，种类较多。 我们针对FR-4基材厚GEM进行了优选研制。 优性能 FR-4

4 M-THGEM 3级THGEM 3-layer-THGEM FR-4基材
M-THGEM(Multi-THickGasElectronMultipliers)是基于多梯级THGEM探测器，将多片THGEM压缩印制成一片M-THGEM，极低地压缩了空间，除了拥有普通THGEM探测器的优点，M-THGEM探测器可以在更低工作电压下拥有更高增益[1]。 3级THGEM 多层印制PCB技术 HD：200µm Pitch:600µm Rim:80µm TH:500µm 60*60mm2 FR-4基材 3-layer-THGEM

5 M-THGEM研制 挑选优性能的FR-4基材配方研制了2-layer-THGEM和3-layer-THGEM
HD：200µm Pitch:600µm Rim:80µm TH:300µm 60*60mm2 对比传统多级THGEM，M-THGEM的优势： 梯级之间电荷损失可忽略不计，更低电压下更高效的电子倍增 无需猝灭气体，也可以更稳定地工作在纯惰性气体中[1] 结构更加紧凑，充分节约空间 2-layer-THGEM HD：200µm Pitch:600µm Rim:80µm TH:500µm 60*60mm2 应用： 重离子径迹探测 μ子跟踪[1] 大面积UV光子探测器 X-ray/中子成像与闪烁光读出 [1]M.Cortesi,et al.,NSCL, Michigan State University, East Lansing (MI) 48824, U.S.A 3-layer-THGEM

6 M-THGEM性能测试 增益性能 工作气体：Ar+CO2(10%) Double layers THGEM 2-Layer-THGEM
对比双层THGEM，M-THGEM的工作电压坪区由920~1050V下降至550~730V； 增益也略有提升；基本达到了更低工作电压下拥有更高增益的要求。

7 M-THGEM性能测试 长期稳定性以及能量分辨
2-layer-M-THGEM Energy Resolution=33.2% @gain=104 5个小时之后，增益基本保持在2X104左右，波动幅度大约为2400/20000=12%；增益为104时能量分辨率为33.2%。

8 THGEM测试换气过程优化 目的：缩短THGEM性能测试中腔室充入/更换工作气体过程的时间周期 方式：将测试腔室抽至近真空，再充入目标气体
NIM 阀门及管路 PLC控制柜 真空泵 PLC-Labview控制程序 快速换气系统

9 THGEM测试换气过程优化 排空法 真空换气法 耗时（2~10小时） 耗气 换气效果不够稳定 换气时间缩短至10分钟左右 节约气体
工作坪区更加集中 同种基材增益曲线更加相近 测试效率更高

10 基于厚GEM和CCD的成像探测器研究进展
基于微结构气体探测器（MPGD）的成像应用十分广泛，如X射线成像和中子成像等。就探测器而言，有多种选择，如Micromegas、GEM和厚GEM等，相对于硅和闪烁体成像技术，MPGD具有大面积、成本低的优点，国内外基于各种MPGD均有应用于成像的研究。 除了电荷感应读出方法之外，还可以利用雪崩发光进行读出！ 优点： 单一光读出器件（如CCD）即可实现非常大视角和灵敏面积的读出，只需调焦。 读出体积小、成本大大降低。 CCD相机是完全商业化的成熟且高性能产品，成本较低。

11 基于厚GEM和CCD的成像探测器研究进展
180μm hole 280μm pitch 厚GEM光读出背景及现状 我们以前有用ICCD相机测试厚GEM光读出，国科大也有THGEM成像方面的研究。 国外有用G-GEM(Glass-GasElectronMultiplier)与普通CCD成像的研究，下图为其在100*100mm2面积下得到的清晰X射线图像，空间分辨~500um。 Obtained image of leaves (2sec integration time)[2] 研究目标：实现一种基于厚GEM或M-THGEM并且以普通CCD相机读出的X-ray成像探测器，单CCD成像灵敏面积>=200*200mm2，位置分辨好于400μm。 [2] T. Fujiwara, et al., Review on Scientific Instruments.

12 基于厚GEM和CCD的成像探测器研究进展
孔径200μm，rim 80μm 灵敏范围60*60mm2、200*200mm2 工作气体：Ar+CF4(10%) X-Ray射线入射窗采用厚度小于100um的Mylar薄膜 阳极透射窗采用0.55mm厚度ITO导电玻璃，方阻~6Ω，导电层厚185nm 普通科研级CCD: MR4021MC-BH、有效像素2048*2048、F2.0~F2.2变焦镜头 光读出探测器设计 挑选国产优性能FR-4基材，探测器使用双层厚GEM或M-THGEM，以实现低工作电压下大于104的增益 探测器结构

13 基于厚GEM和CCD的成像探测器研究进展
光读出探测器设计 CF4是一种可见光强发光气[3] CF4闪烁光集中在620nm左右 CF4 light spectrum[3] 透光率>84% CF4发光光谱 32mm 60mm ITO导电玻璃透光率 CCD量子效率 [3] M.M.F.R.Fraga,et al.,Nuc. Instr. and Meth. A 504 (2003) 88–92

14 基于厚GEM和CCD的成像探测器研究进展
阳极透射窗ITO导电玻璃 CCD对焦THGEM 暗箱 55Fe CCD 打火发光

15 基于厚GEM和CCD的成像探测器研究进展
PMT光读出初步测试 利用PMT光读出55Fe能谱 单光子PMT测试探测器光产额（gas gain vs photons）[4] PC 55Fe X-ray (5.9KeV) ITO Class Anode PMT Optical signal Charge signal 5751 Charge-sensitive Amplifier Shaping Ar+CF4 gas Cathode Chamber PMT读出装置 PMT 读出光信号 [4] Takeshi Fujiwara,et al.,Japanese Journal of Applied Physics 55,106401(2016)

16 谢谢！！！ 感谢重点实验室基金支持！！！ 总结 我们对国产FR-4厚GEM进行了更深入的挑选工作，并利用该基 材研制了M-THGEM
进行了PMT初步光读出测试，后续我们将利用M-THGEM完成光 读出55Fe能谱和光产额测试；最终配合CCD相机进行成像实验 成功对探测器换气过程进行了优化，今后将继续进行探测器测试 系统优化工作 感谢重点实验室基金支持！！！ 谢谢！！！