微结构气体探测器中紫外激光束的信号和指向精度实验研究

在气体探测器研究中,利用266 nm紫外激光的双光子电离物理机制使气体电离产生可测量的信号,是一种重要的标定方法.随着微结构气体探测器(MPGD)的不断发展,用紫外激光标定来实现较高精度位置分辨率成为了一种研究需求,对此有两个关键技术问题需要解决:实验研究激光可测信号大小以及激光指向精度.分析和模拟计算了紫外光电离信号大小和激光调光误差,基于微结构气体电子倍增器探测器与266 nm波长激光束,在工作气体Ar/CO_2(70/30)中,测量了不同光斑面积与输出信号的关系;设计和研制了紫外激光调光系统,实验测量了紫外光调光偏差.模拟结果与实验结果对比分析表明:紫外激光束作用于气体探测器,探测器增益在5000,前放增益为10 mV/fC时, 6 mm读出条宽输出信号幅度约400 mV;在探测器内传播距离为400 mm时,较短时间内(10—20 min)实验调光指向精度可以保证小于5′,引入z向偏差最大可以达到0.33 mm,对应z向漂移速度的测量相对误差为6.4×10-4.该研究为MPGD与紫外激光标定实验设计提供主要的设计参考.     

一维丝室气体探测器衍射像差的修正方法研究

一维位置灵敏单丝气体探测器采用单根镀金钨丝和200根阴极感应条的探测结构, X射线在阳极丝上产生的信号被多个阴极条感应, 利用重心法得到X射线的原初电离点的位置信息, 位置分辨率达到160 μm(半高全宽). 在同步辐射衍射实验中, X射线通过样品后会形成不同大小的衍射环, 本实验中测量得到11.148°和14.201°的两组衍射角位置信息; 通过平行移动一维探测器在衍射环范围内多次扫描, 可以重建得到二维衍射环. 由于一维探测器的气体厚度和入射窗宽度会给测量结果带来像差, 分析发现像差的影响大于一维探测器的位置分辨. 基于相应的物理分析对测量到的衍射位置进行修正, 修正后的衍射位置相比修正前的衍射位置的相对像差最大改善达到7%, 该方法实现了无像差二维衍射环的重建.     

基于复合结构的气体电子倍增器增益模拟和实验研究

气体电子倍增器(GEM)作为高性能的微结构气体探测器在高能物理相关领域内得到了广泛的研究和应用.其中增益是GEM探测器基本性能研究中的一个重要参数,该值的精确测量至关重要.增益的测量一般采用电流测量或者能谱测量方法,但均存在精度较低或者过程繁琐的问题,且无法精确测量低增益值.针对GEM探测器增益的精确测量,本文提出了一种由GEM探测器与微网结构气体探测器(MM)级联构成的复合结构探测器(GEM-MM).利用GEM-MM结构以相对方法实现GEM增益的精确测量.该方法既可以省去传统方法中复杂的电子学标定过程,同时不需要进行原初电离电子数的估算,保证了增益的精确测量,并且可以实现GEM低增益的测量.基于GEM-MM测量GEM增益的原理,本文首先对GEM-MM电荷输运过程进行了模拟研究,优化了合适的工作电压.比较了三种不同类型和配比工作气体下GEM增益模拟结果,并在Ar/iC_4H_(10)(95/5)气体中测量了单层GEM在3—24范围内的有效增益.不同Penning系数下GEM增益的模拟结果表明,Penning系数为0.32时GEM增益的模拟结果与实验测量结果符合得很好.由此可以确定一个大气压下的Ar/iC_4H_(10)(95/5)气体中,Penning系数为0.32±0.01.     

高增益型气体电子倍增微网结构探测器的性能研究

随着微结构气体探测器的不断发展, 不同的探测需求相继提出.为了实现气体探测器在高增益和低打火率的条件下长时间稳定工作, 结合气体电子倍增器(GEM)与微网结构气体探测器(MicroMegas)的探测优势, 成功研制出一种基于GEM作为预放大的MicroMegas探测器, 详细介绍了探测器结构和工作原理, 并利用⁵⁵Fe放射源对探测器增益、打火率、能量分辨和工作稳定性等性能进行了实验测量. 分析结果显示GEM-MicroMegas探测器可以连续工作30 h 以上, 探测器增益可以超过10⁶, 相对于无GEM膜的MicroMegas探测器, 相同增益下打火率可以降低近100倍. 关键词： 微网结构气体探测器 能量分辨率 增益 打火率     

高通量下GEM探测器高压供电模式研究

GEM探测器的供电一般采用电阻链分压供电模式和多路分立供电模式,在低通量X射线下测量时区别不大,但是在高通量X射线时,电阻链分压供电模式会带来饱和效应引起工作电压的变化,造成探测器工作不稳定。本研究在高通量X 射线照射下,研究了有效面积为100 mm100 mm三层级联GEM探测器的有效增益(稳定性) 与不同高压供电模式的关系。通过测量不同分压电阻值(1, 2, 5 到30 MΩ)的实验研究,发现随着X 射线通量的增加,在电阻链分压供电模式下,出现了GEM探测器感应电极的读出电流饱和趋势,分析了可能导致饱和效应出现的原因。结果表明,当入射X射线在探测器上的有效吸收剂量不断增加时,电阻链供电模式需要调整分压单元电阻值,或者采用多路分立供电模式,从而避免因饱和效应引起的GEM探测器有效增益的变化,实现探测器稳定的工作状态。There are two methods of the HV power supply for the GEM detector. One is a HV channel divided by the resistive chain and the other is the several separate HV channels. In the smaller dose rate of X-ray, all of the methods are similar. When the dose rate increases, the resistive chain-dividing mode has more obvious saturation effect and the working voltage of the GEM detector is unstable. In the paper, a GEM detector with an effective area of 100 mm100 mm has been studied in the high dose rate using X-tube. The unit values in the divider resistance chain are set to 1, 2, 5 and 30 MΩ respectively in the test. With the resistive chain-dividing mode, the readout current of the GEM detector’s anode tends to saturate when the dose rate of X-ray increases,and the reasons of the saturation effect are analyzed. The results indicate that the effective absorbed dose of X-ray by the triple GEMs detector reaches to the pecific value and the divider resistance needs to re-select, even the several separate HV channels mode should be considered. It will keep the constant of the working voltage of the GEM detector without the saturation effect and gain variation and the performance of GEM detector is stable.     

Investigation of GEM-Micromegas detector on X-ray beam of synchrotron radiation

To reduce the discharge of the standard bulk Micromegas and GEM detectors, a GEM-Micromegas detector was developed at the Institute of High Energy Physics. Taking into account the advantages of the two detectors, one GEM foil was set as a preamplifier on the mesh of Micromegas in the structure and the GEM preamplification decreased the working voltage of Micromegas to significantly reduce the effect of the discharge. At the same gain, the spark probability of the GEM-Micromegas detector can be reduced to a factor 0.01 compared to the standard Micromegas detector, and an even higher gain could be obtained. This paper describes the performance of the X-ray beam detector that was studied at 1W2B Laboratory of Beijing Synchrotron Radiation Facility. Finally, the result of the energy resolution under various X-ray energies was given in different working gases. This indicates that the GEM-Micromegas detector has an energy response capability in an energy range from 6 keV to 20 keV and it could work better than the standard bulk-Micromegas.     

用于中国散裂中子源多功能反射谱仪的高气压多丝正比室探测器的研制

中国散裂中子源需要建设一台多功能反射谱仪中子探测器,满足在10年运行期间内,50%(@2A)以上的探测效率、好于2 mm的二维位置分辨、200 mm×200 mm的灵敏面积、3倍的n/γ分辨能力及良好的二维成像性能.基于此要求,探测器因此采用基于高气压~3He气体的多丝正比室,并以满足反射谱仪的探测效率、位置分辨、长期稳定工作和n/y分辨能力为目标进行探测器的设计.本文经过模拟和实验计算得出:以9 mm厚的铝合金入射窗、铝丝密封的高气压腔体和6 bar~3He+2.5 bar C_3H_8的工作气体的设计,可满足探测器对2 A中子10年运行期间内54%以上的探测效率要求;探测器对中子的位置分辨可达到1.4 mm左右;设计的气体净化系统,拥有2 L/min的气流速度可有效去除探测器内的负电性杂质气体,气体循环净化后可提高探测器约27%的气体增益,保证探测器长期稳定的运行;通过对~(252)Cf中子源的能谱测量和成像测量,得出探测器的n/γ分辨能力在5倍以上和均匀的成像结果.研制的探测器满足反射谱仪需求,并已在中国散裂中子源反射谱仪靶站就位联调.     

Investigation of GEM-Micromegas detector on X-ray beam of synchrotron radiation

To reduce the discharge of the standard bulk Micromegas and GEM detectors, a GEM-Micromegas detector was developed at the Institute of High Energy Physics. Taking into account the advantages of the two detectors, one GEM foil was set as a preamplifier on the mesh of Micromegas in the structure and the CEM pream- plification decreased the working voltage of Micromegas to significantly reduce the effect of the discharge. At the same gain, the spark probability of the GEM-Micromegas detector can be reduced to a factor 0.01 compared to the standard Micromegas detector, and an even higher gain could be obtained. This paper describes the performance of the X-ray beam detector that was studied at 1W2B Laboratory of Beijing Synchrotron Radiation Facility. Finally, the result of the energy resolution under various X-ray energies was given in different working gases. This indicates that the GEM-Micromegas detector has an energy response capability in an energy range from 6 keV to 20 keV and it could work better than the standard bulk-Micromegas.     

二维多丝室探测器读出方法的优化

中国散裂中子源将建设一台基于~3He气体的二维多丝室,作为多功能反射谱仪束线的中子探测器.基于已有的研究,为优化选择二维多丝室探测器的丝结构,本文研究了三种不同的丝结构,并采用重心读出方法和数字读出方法进行了探测器的性能测量,得到了满足多功能反射谱仪探测器需求的读出方法.实验结果表明:对同种丝结构的二维多丝室探测器,重心读出方法的位置分辨和成像性能都好于数字读出方法;基于重心法读出的多丝室探测器位置分辨率可以达到约160μm,基于数字读出方法的多丝室探测器位置分辨率可以达到约400μm.优化设计的丝结构为:基于重心读出法的阳极丝间距1.5 mm、读出通道间距4 mm,基于数字读出法的阳极丝间距1.5 mm、读出通道间距2 mm.优化设计的丝结构均能满足谱仪的位置分辨要求.