李占奎 李松林 段利敏 中国科学院近代物理研究所 传感器室

Presentation on theme: "李占奎 李松林 段利敏 中国科学院近代物理研究所 传感器室"— Presentation transcript:

1 李占奎 李松林 段利敏 中国科学院近代物理研究所 传感器室
近物所核探测器研制进展 李占奎 李松林 段利敏 中国科学院近代物理研究所 传感器室

2 主要内容 1 2 1 3 2 4 引言 气体探测器组工作 晶体组工作 固体探测器组工作 Click to add Title
第十五届全国核电子学与核探测技术年会

3 一、引言 核辐射探测器是探究核物理领域的探针和工具。核科学研究向更大规模多参数的、全立体角的，以及极端条件下的弱信号和稀有事件等方向发展，这需要研发新一代的先进探测器（高位置分辨、低噪声、高通量等）。 国际上： LEP实验的ALEPH, DELPHI, BNL的STAR, LHC的ALICE GSI的PANDA, CBM,R3B … 国内： 高能所：BESIII 近物所：ETF，HPLUS 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

4 近物所加速器 External Target Internal Target North Building 2# SSC SFC CSRe
SFC: several AMeV SSC: tens AMeV SSC SFC CSRe Building 6# CSRm External Target CSRm: 1.1 AGeV(12C6+), 2.8 GeV(p) CSRe: AGeV (12C6+) Internal Target 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

5 近物所CSR外靶终端 Internal Target 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

6 二、气体组工作（段利敏） 40m2洁净室，自动步丝机，2维测量平台，多组份配气系统，真空靶室，前端电子学和数据获取系统 设备： 两维测量平台
自动布丝机 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

7 研制的气体探测器种类 电离室 PPAC MWDC MWPC Micromegas RETGEM 2010-8-15
第十五届全国核电子学与核探测技术年会

8 TPC的读出单元 …… 微电子技术和光刻技术发展: MPGD（Micro Pattern Gas Detectors）
Micromegas(1996), GEM(1997) Micromegas MWPC MPGD结构特点: 漂移区和放大区分割开; 放大区间隙~100µm量级; TPC能够精确地测出粒子在漂移区域的三维径迹和dE/dx值, 具有很高的粒子识别能力, 许多大型高能粒子实验都将其作为中心径迹探测器, 比较著名的有LEP实验的ALEPH, DELPHI, BNL的STAR, LHC的ALICE等等. 这些TPC都以多丝正比室MWPC(Multi-wire Proportional Chamber), 作为读出探测器。 缺点, 如: 空间分辨率与径迹和丝的夹角有关联; 由于在丝的附近电场和磁场不再平行, 电子会沿EXB的方向扩散, 最终造成了空间分辨率的劣化等. 粒子物理学界正在筹划建造下一个大型高能正负电子对撞机(International Linear Col-lider, ILC), 它的物理目标对探测器提出了许多更高的要求, 必须探索提高目前探测器性能的办法. TPC已被提议作为ILC系统的中心径迹探测器的候选者之一, 同时MPGD(Micro Pattern Gas Detector,微结构气体探测器) 也因其优于MWPC的性能而作为TPC读出探测器的优选方案, 其中最具代表性的就是GEM(Gas Electron Multiplier, 气体电子倍增器)探测器. Micromegas由漂移区和放大区以及读出电极三部分组成,用丝网把漂移区和放大区隔开,漂移区一般为3～10mm,放大区为100μm量级。很高计数率能力(～108mm-2.s-1),良好的空间分辨能力以及很好的抗辐照性能,使Micromegas在高亮度X射线探测和成像方面具有独特的优势。且结构简单,易于加工成大面积,易于工业生产,造价低廉。被广泛应用于粒子物理实验,比如粒子径迹追踪、时间投影室(TPC)、中子或X射线成像等。 CAT，μCAT，μDOT，…… Microstrip Gas Chamber Gas Electron-Multiplier μgroove MSGC GEM …… 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

9 MWPC探测器 准直 未加准直 灵敏面积：500mm×200mm 55Fe X射线测试结果： 沿阳极丝方向分辨 FWHM＝450 m
第十五届全国核电子学与核探测技术年会

10 MWDC探测器 阳极采用了20m的W(Au)；阴极丝和场丝，采用了100m的Be-Cu丝(Be含量2％)。共6个阳极面，9个阴极面。
MWDC适合的计数率比MWPC低，但其位置分辨较好(～250m)，因而作为带电粒子径迹探测器的首选。 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

11 MWDC探测器性能 漂移时间宽度约为100ns，探测效率在94%以上，其位置分辨约为210m
CAMAC测量系统，前端电子学系统来自于BESII主漂移室。 漂移时间宽度约为100ns，探测效率在94%以上，其位置分辨约为210m 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

12 Micromegas探测器 300～600目不锈钢丝编织网制作Mesh电极 灵敏面积： 50×50mm2 鱼线支撑 ~mm E~1kV/cm
平纹不锈钢网 PCB板（条形读出） 300～600目不锈钢丝编织网制作Mesh电极 灵敏面积： 50×50mm2 鱼线支撑 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

13 Macromegas探测器性能 25% 55Fe 5.9keV X-射线能量 分辨(FWHM=25%) 有效增益与打火率与Mesh电压的关系
SFE16＋128ch HPTDC测量结果 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

14 1、利用宇宙射线成功测试了Micromegas探测器的时间分辨（15ns）和效率（97%）。
读出电极周期400 m ，位置分辨<120m 1、利用宇宙射线成功测试了Micromegas探测器的时间分辨（15ns）和效率（97%）。 2、利用55Fe 5.9keV X射线测试，全能光电峰的最佳能量分辨率为17%（镍膜）、25%（不锈钢网）；增益104。 3、有良好的位置准确性和线性，分辨为90μm。 读出电极周期200 m ，位置分辨~90m 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

15 RETGEM探测器 PCB版 1mm厚，孔径 0.8mm, 孔间距1.2mm, 阻尼层30μm, 灵敏面积30×30mm2
Resistive Electrode Thick Gas Electron Multiplier Electrons Ions 单层与双层RETGEM的结构 . PCB版 1mm厚，孔径 0.8mm, 孔间距1.2mm, 阻尼层30μm, 灵敏面积30×30mm2 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

16 能量分辨~30%；增益~103 RETGEM探测器的性能测试结果 单层RETGEM的能量分辨与打火率
单层RETGEM的能量分辨(FWHM=28%) 能量分辨~30%；增益~103 双层RETGEM的能量分辨(FWHM=25%)。 双层RETGEM的能量分辨与打火率 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

17 CsI(Tl)晶体生长厂房、晶体加工抛光实验室、晶体提纯实验室；HgI晶体试生长
三、晶体组工作（李松林） 实验室： CsI(Tl)晶体生长厂房、晶体加工抛光实验室、晶体提纯实验室；HgI晶体试生长 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

18 CSR外靶终端晶体墙 CSR外靶终端晶体墙的工作。
16个环，1024根掺铊的碘化铯晶体，从2009年8月3日开始加工、抛光和测试，现已完成（整个球的1/6）。 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

19 CsI(Tl)晶体单元测试方案 要求：能量分辨应小于10% (Er<10%) 非均匀性测试低于7% (U≦7%) 光输出端
快速测试 实验终端 包装方案：Teflon+Al-mylar ESR 耦合方式：空气耦合 硅油 PMT: R APD 要求：能量分辨应小于10% (Er<10%) 非均匀性测试低于7% (U≦7%) 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

20 CsI(Tl)单元测试：晶体合格率达94% 均匀性 能量分辨 能量分辨 APD测量应好于9% 均匀性 APD测量应好于7%
第十五届全国核电子学与核探测技术年会

21 新晶体的研究 不同铊掺杂比的碘化铯晶体 ： 光电倍增管测量的结果 误差棒表示能量分辨
低本底CsI晶体：地下实验室暗物质测量，送清华大学测量，结果期待中。 HgI晶体和氯化镧、溴化镧晶体试生长 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

22 微电子工艺实验室； Si(Li)漂移探测器实验室；
四、固体探测器组工作（李占奎） 实验室： 微电子工艺实验室； Si(Li)漂移探测器实验室； 金硅面垒探测器实验室；实验靶制备及镀膜实验室。 金硅面垒 离子注入型硅条探测器 锂漂移硅探测器 P-I-N型 P-N结型 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

23 工艺实验室布局 100 23m2 10,000 120m2 100,000 80m2 180m2 Periphery Clothes
Purging UV-Litho Air conditioner Test Bench Power Shoes Oxidation Eaton Vacuum Power Coating Anneal Water cooling system Compressed Air Gases 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

24 工艺实验室主要设备 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

25 厚耗尽层Si探测器的研制 耗尽层厚度受Si材料电阻率ρ和工作电压的限制，一般不超过1~1.5毫米。
Si(Li)：207Bi内转换电子谱 耗尽层厚度受Si材料电阻率ρ和工作电压的限制，一般不超过1~1.5毫米。 Si(Li)探测器：Li离子漂移到P型Si 片内部并处于替代位置而进行补偿，形成准本征硅材料（I）区，其电阻率可达100KΩ•cm以上。这样在较低的偏压下，可得到厚的耗尽层。 我所：灵敏层厚度为3.5 ～5 mm,工作偏压200 ～ 300V（卫星项目） 利用“叠层”结构获得厚耗尽层：将若干个用平面工艺+离子注入形成的探测器叠加起来，耗尽层随之增大。 4mm叠层：207Bi内转换电子谱 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

26 硅微条探测器研制 与北大合作，已联合研制了下列三种硅条探测器（北大生产线上） 在近物所微电子工艺实验室生产线上还在研制阶段
单面Si 条探测器 单面Si 条两维位置灵敏探测器 双面Si 条两维位置灵敏探测器 第十五届全国核电子学与核探测技术年会

27 谢谢！ 欢迎指导！ 第十五届全国核电子学与核探测技术年会