基于GEM探测器的时间投影室TPC的讨论

自20世纪90年代以来, GEM探测器以其高电子倍增、高空间分辨和高计数率等优势在粒子物理和辐射成像等领域得到了广泛和深入的研究, 具有广阔的应用前景. 如果将GEM作为读出探测器应用在时间投影室TPC系统上, 和传统的读出方式比较起来, 既有许多优点也有许多挑战. 目前世界上有许多机构正在研究将此方案用于将来的大型正负电子对撞机ILC. 本文论述了这些研究课题的概况, 讨论了TPC的各项关键性能指标与GEM探测器的关系及存在的问题.     

基于GEM读出的TPC工作气体的研究

针对TPC中对于电子漂移的要求, 结合Garfield软件, 研究了我们所研制的TPC原型所用的工作气体. 分析了不同气体对于电子漂移的寿命、漂移速度、横向和纵向扩散, 以及电离特性等参数的影响; 结合分析论证, 得到了以Ar, CH₄和CF₄为主要成分的气体作为工作气体时TPC的性能指标. 并且测试了该气体中的读出GEM探测器的能量分辨率、气体增益等性能参数, 获得了很好的结果.     

基于读出条读出的二维位置灵敏气体电子倍增器的研制

为研发能够满足北京同步辐射(BSRF)实验要求的二维探测器,研制了基于读出条读出的二维位置灵敏X射线气体电子倍增器(GEM).实验过程中通过改进读出条的周期,并基于中科院高能所实验物理中心电子学组研制的多路电荷放大器系统与VME存储-ADC系统,对软X射线源的位置分辨率进行了精密测量且得到了优异的二维位置分辨:X方向约为84μm,Y方向约为75μm.研究了三级GEM压差之和对位置分辨的影响,并测试了探测器的位置准确度与线性.对基于阳极读出的GEM用于模拟读出测试系统得到了一定的理论认识,侧重研究了GEM探测器基于模拟读出的系统特性,给出了相关的分析与讨论.     

气体电子倍增器(GEM)聚酰亚胺膜结构的研制

气体电子倍增器(GEM, Gas Electron Multiplier)是近些年发展的一种新的气体探测器, 具有计数率和位置分辨率高等优点, 在粒子物理和X光成像等领域有着广泛的应用前景, 近些年来得到了很快的发展. 该探测器发展的关键问题之一就是GEM膜结构的制造, 该结构需要利用光刻等多项技术来完成, 工艺复杂, 研制困难. 本文介绍了开发GEM膜结构的研究结果, 通过干法和湿法腐蚀的研究和对比, 优化出GEM膜结构制造的一种工艺过程, 并利用该工艺成功完成了~GEM~膜结构的制造, 为国内GEM气体探测器的研究和应用奠定了基础.     

基于GEM工艺的裂变时间投影室中裂变碎片的讨论

基于GEM工艺的裂变时间投影室兼具GEM工艺的高计数率、高空间分辨本领等优点,我们拟通过裂变时间投影室在单次测量中准确获取裂变产物的核电荷数、质量数以及能量等多种信息。本文主要讨论了基于GEM工艺的裂变时间投影室中工作气体的种类、气压以及裂变碎片在气室中的能量损失和有效电荷问题,发现对于轻重两种裂变碎片的能量损失而言,重裂变碎片的分布宽度更窄。并针对裂变碎片在气室中的能量损失,提出了一种通过裂变碎片的有效电荷获取核电荷数的方法。这对于裂变时间投影室的研制工作以及实现裂变产物的多参量测量具有重要意义。     

GEM气体探测器的增益特性

研制一种双层结构的GEM气体探测器用于X射线成像和带电粒子径迹测量.使用铜靶X射线管产生的高能量X射线对其气体放大倍数,电荷传输效率,增益稳定性进行测试.实验结果显示:在入射X射线通量为10⁵Hz/mm²时,双层GEM探测器的有效增益达到10⁴以上,并且具有长时间稳定性.     

基于阻性阳极读出方法的气体电子倍增器二维成像性能

新型微结构气体探测器,如气体电子倍增器(gas electron multiplier,GEM)等,具有非常好的位置分辨率潜力(σ100μm),但是需要匹配大规模高密度的读出电子学,给探测器的建设、造价、功耗、空间利用等带来极大压力.阻性阳极读出方法可以在保持较高位置分辨率的前提下,大幅节省电子学.基于厚膜电阻工艺,一种新的阻性单元阵列结构被成功开发和应用于三级级联GEM探测器的读出阳极.该阻性阳极包括6×6个6 mm×6 mm的基本阻性单元,仅需匹配49路读出电子学.~(55)Fe放射源(5.9 keV)和X光机(8 keV)实验的结果显示探测器的位置分辨率(σ)可好于80μm,位置非线性好于1.5%.同时,探测器还获得了很好的实物成像效果.探测器的优良性能表明这种阻性阳极读出方法适用于大面积二维成像气体探测器的读出,并可用于其他探测器的读出.     

位敏型探测器数字法读出研究(英文)

中国散裂中子源( CSNS ) 的建造对中子探测器提出了非常高的要求,如更大的有效面积、二维位置灵敏、高计数率、高探测效率和低的 灵敏度等。与传统的模拟读出方法相比,数字法读出具有更高的计数率, 更小的数据传输量,更简单的电子学设计以及更高的信噪比。对数字法读出进行了理论计算,利用GEM探测器的原始数据分析了数字法读出的位置分辨率与读出条宽度的关系。结果表明,数字法读出对于位置分辨要求较低( 小于4 mm) 的大面积位置灵敏探测器是一种较好的选择,如CSNS 小角谱仪探测器。Efficient thermal neutron detectors with large area, two-dimensional position sensitive, high counting rate high detection efficiency and low gamma sensitivity are required to satisfy the demands for the China Spallation Neutron Source (CSNS). Compared with the traditional analog readout method, the digital readout method has the advantages of higher counting rate, smaller quantity of data transmission, simpler readout system and higher signal to noise ratio. The theoretical analysis of the digital readout method is reported in this paper. Used the raw data of GEM detector, the relationship between the position resolution and the width of the readout strip was studied. The results indicate that the digital readout method could be a good choice for the large area position sensitive detector where the requirement of position resolution is less than 4 mm, e.g. the detector of Small-Angle Neutron Scattering (SANS) diffractometer of CSNS.     

三级GEM探测器的增益一致性实验研究

随着二维GEM气体探测器在X射线成像探测领域的应用, 三级GEM的探测结构和电场均匀性带来的增益一致性修正问题, 成为需要深入研究的课题内容。 介绍了有效探测面积为100 mm×100 mm的三级倍增GEM探测器, 共采用100路阵列读出, 每路读出Pad面积为9.5 mm×9.5 mm。 测量了55Fe放射源准直入射的全能峰谱。 实验表明, 随着时间的变化, 探测器的增益基本上保持稳定; 随气流的增大, 增益由变化明显到变化不大。 GEM探测器各个阵列单元的增益一致性良好（>80%）; 能量分辨率在0.18～0.22之间, 运用最小二乘法拟合给出增益一致性的修正结果, 修正后相差约0.1, 为GEM气体探测器的增益一致性修正方法提供了参考方案。 With the application of the two dimensional GEM gaseous detector in X ray imaging, the correction method of gain uniformity caused by triple GEM avalanche structures and electric field uniformity should be studied. The paper reported the study of the triple GEM detector with effective area 100 mm×100 mm used the Pad’s size of 9.5 mm×9.5 mm. In the test, 100 readout channels were designed. Results showed that gain remained stable over time; as air flow increases, gain from increases obviously to changes very little. Particularly, triple GEM’s gain uniformity was very good (more than 80%) and the range of energy resolution was from 0.18 to 0.22. To improve gain consistency of results, the difference value revised was obtained to be about 0.1 by the least square method. It provided a better method to improve gain uniformity of GEM detector.     

GEM电极的三维电场分布计算

基于有限元方法对GEM电极的电场分布进行模拟和计算,得到了完整的三维电场分布.研究不同几何构型的GEM场强分布对电荷收集效率的影响,给出了4种构型GEM电极的电场线透过率分别为:双倒锥型33.12%;圆柱型34.85%;单锥型40.70%;单倒锥型16.70%.计算得到的电场线透过率比二维电场分布的结果更加接近实验结果     

Design and construction of a TPC prototype based on GEM detector readout

A time projection chamber (TPC) readout by gas electron multipliers (GEM) detector is a very promising candidate for the central tracking system of ILC (International Linear Collider). A prototype is designed and set up in our lab and introduced here. The tests during and after the assembly prove that the prototype TPC has been constructed successfully. It is ready for further study.     

An X-ray imaging device based on a GEM detector with delay-line readout

An X-ray imaging device based on a triple-GEM (Gas Electron Multiplier) detector, a fast delay-line circuit with 700 MHz cut-off frequency and two dimensional readout strips with 150 μm width on the top and 250 μm width on the bottom, is designed and tested. The localization information is derived from the propagation time of the induced signals on the readout strips. This device has a good spatial resolution of 150 μm and works stably at an intensity of 105 Hz/mm2 with 8 keV X-rays.     

An X-ray imaging device based on a GEM detector with delay-line readout

An X-ray imaging device based on a triple-GEM （Gas Electron Multiplier） detector, a fast delay-line circuit with 700 MHz cut-off frequency and two dimensional readout strips with 150 μm width on the top and 250 μm width on the bottom, is designed and tested. The localization information is derived from the propagation time of the induced signals on the readout strips. This device has a good spatial resolution of 150 μm and works stably at an intensity of 105 Hz/mm2 with 8 keV X-rays.     

A beam test of prototype time projection chamber using micro-pattern gas detectors at KEK

We conducted a series of beam tests of prototype TPCs for the international linear collider (ILC) experiment, equipped with an MWPC, a MicroMEGAS, or GEMs as a readout device. The prototype operated successfully in a test beam at KEK under an axial magnetic field of up to 1 T. The analysis of data is now in progress and some of the preliminary results obtained with GEMs and MicroMEGAS are presented along with our interpretation. Also given is the extrapolation of the obtained spatial resolution to that of a large TPC expected as the central tracker of the ILC experiment. on behalf of part of the ILC-TPC Collaboration     

2维位置灵敏中子探测器读出

介绍了基于厚型气体电子倍增探测器(THGEM)的位置灵敏热中子探测器中,采用专用集成电路的阵列电荷灵敏前置放大和可编程器件的读出电子学设计。专用集成电路采用VA64TA2,64通道输入电荷灵敏放大成型,触发输出。控制电路使用了现场可编程器件。两者结合,显著减少了读出电路在探测器内所占据的空间。介绍了VA64TA2裸片的封装,给出了电路的原理和时序,进行了线性和电子学噪声试验,结果表明电路具有16 fC的线性动态范围,电子学噪声仅为75个电子电荷。     

Design of the readout electronics for the DAMPE Silicon Tracker detector

The Silicon Tracker (STK) is one of the detectors of the DAMPE satellite used to measure the incidence direction of high energy cosmic rays. It consists of 6 X-Y double layers of silicon micro-strip detectors with 73728 readout channels. It is a great challenge to read out the channels and process the huge volume of data in the harsh environment of space. 1152 Application Specific Integrated Circuits (ASIC) and 384 ADCs are used to read out the detector channels. 192 Tracker Front-end Hybrid (TFH) modules and 8 identical Tracker Readout Board (TRB) modules are designed to control and digitalize the front signals. In this paper, the design of the readout electronics for the STK and its performance are presented in detail.     

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.