涂硼GEM中子探测器研究PPT课件

1、涂硼涂硼GEM中子探测器研究中子探测器研究周健荣周健荣1)，李科李科1,2)，周良，周良1)，孙志嘉，孙志嘉1)，胡碧涛，胡碧涛2)，陈元柏，陈元柏1)1)中国散裂中子源中国散裂中子源(CSNS) 1)中国科学院高能物理研究所中国科学院高能物理研究所2)兰州大学核科学与技术学院兰州大学核科学与技术学院2015年年7月月MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月内容提纲内容提纲u 研究背景与科学意义研究背景与科学意义u 研究内容及关键技术研究内容及关键技术u 样机研制与测试结果样机研制与测试结果u 总结与下一步研究计划总结与下一步研究计划u 致谢致谢1MPGD 2015， 兰州大学， 20

2、15年7月广泛应用的中子技术广泛应用的中子技术 2中子的优势：中子的优势： . 电中性 ，穿透力强，轻元素敏感，同位 素分辨，有磁矩 ，磁性微观分析. 与X射线技术互补，是研究物质微观结构 的重要手段中子照相X照相蛋白质结构蛋白质结构X散射技术中子散射技术储氢纳米管储氢纳米管可燃冰可燃冰天然气管道裂痕检测天然气管道裂痕检测MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月国内三大中子科学平台未来对中子探国内三大中子科学平台未来对中子探测器有着迫切的需求测器有着迫切的需求3中国原子能研究院先进研究堆中国原子能研究院先进研究堆- - CARRCARR 中物院核物理与化学研究所反应堆中物院核物理与化学

3、研究所反应堆-CMRR 中国散裂中子源中国散裂中子源-CSNS-CSNSMPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月中子探测技术发展与现状中子探测技术发展与现状 世界上约75%75%以上的位置灵敏热 中子探测器采用基于3He的探测技术，主要有3He管与MWPC4 4中子探测器发展瓶颈：中子探测器发展瓶颈：u3 3HeHe气体短缺：美国限制气体短缺：美国限制 3 3HeHe气体的出口，供应量是气体的出口，供应量是原来的原来的1/51/5，价格是原来的，价格是原来的20-3020-30倍！倍！u计数率低：计数率低：100kHz 100kHz 必须研制替代必须研制替代3 3HeHe的高计数的高计

4、数率中子探测器，以满足国率中子探测器，以满足国内当前和未来中子散射实内当前和未来中子散射实验的需求。验的需求。3 3HeHe气体的来源：氚的副产物中获得气体的来源：氚的副产物中获得3 3HeHe： 小角散射谱仪小角散射谱仪常用中子探测材料：常用中子探测材料：3 3HeHe，6 6LiLi，1010B BMPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月国际上国际上3 3HeHe替代中子探测技术比较替代中子探测技术比较5探测器类型探测器类型研究现状研究现状技术瓶颈技术瓶颈研究实验室研究实验室6LiF/ZnS(Ag)探测效率大于30%，位置分辨率约1mm抑制能力低J-PARC，SNS，ISIS，IH

5、EP BF3管 2atm BF3管，探测效率约30% 探测效率低Centronic， ILL网格探测器网格探测器(Multi-Grid)(Multi-Grid)像素像素2cm2cm，探测效率大于，探测效率大于40%40%，容易，容易大面积扩展，位置分辨可提高大面积扩展，位置分辨可提高，综综合合性能性能与与3 3HeHe探测器相当探测器相当 大面积读出大面积读出电子学庞大电子学庞大ESS, ILL,TUMESS, ILL,TUM, , ISISISIS，IHEPIHEP内涂硼管热中子探测效率约30%探测效率低PTI, Centronic， GE，清华涂硼涂硼GEMGEM探测探测效率大于效率大于3

6、0%30%，位置分辨率约，位置分辨率约3mm3mm探测探测效率低效率低德国海德堡大学，德国海德堡大学， KEKKEK，GSI, GSI, IHEPIHEPMPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月 GEM探测器的优势探测器的优势61997年由Fabio Sauli 于CERN发明核心优势：核心优势：u作为一种微结构气体探测器，代表未来气体探测器的发展方向u高计数率(10MHz/mm2)，测量动态范围广u高分辨，本征位置分辨率100m，本征时间分辨率10nsu可制作成各种形状，如平面、桶型、弧形等u可大面积制作，成本相对较低MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月 涂硼涂硼GEM中

7、子探中子探测测器器应应用和用和发发展目展目标标n束流束流测测量：量：中子束监测器/诊断器，测量波长，强度及形状n中子散射中子散射实验实验： ： 小面积、高精度谱仪探测器7GEMAr/CO2a or 7Li3kV/cm1 kV/cm涂硼漂移电极二维读出电路漂移区感应区Replace ReplaceMPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月 涂硼涂硼GEMGEM中子探测器中子探测器8GEMAr/CO2 涂硼漂移涂硼漂移电电极极漂移区漂移区感感应应区区关键技术：关键技术：p涂硼技术涂硼技术 磁控溅射镀膜磁控溅射镀膜p GEM膜膜 IHEP自研的自研的THGEMp 高密度、高速读出电子学高密度、

8、高速读出电子学 ASIC+FPGA+Ethernetp探测器系统集成设计探测器系统集成设计 以工程应用为驱动以工程应用为驱动Cua aa a10BInsulatorMPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月技术要求：技术要求：u 基材：铜膜，硼结合牢固u 厚度：1um，厚度偏差小于5%u 纯度：大于99%, 10B丰都大于90%u 有效面积：50mm50mm, 100mm100mm, 200mm200mm硼作为中子转换层的优点：硼作为中子转换层的优点：反应截面大，转换粒子能量高，固体转换层厚度薄(3m)，时间分辨高，天然存在易获得，化学稳定，低Z Gamma不敏感难点：难点：属于非金属介

9、质，熔点高(2076)，不易镀膜可能方法：可能方法：热蒸发()，电泳() ，CVD () ，ALD () 以及磁控溅射()磁控溅射镀硼技术磁控溅射镀硼技术( (北航和九院北航和九院) )KaptonCopperB-10CeramicsCopperCopperB-10B-10dp1. 漂移电极涂硼漂移电极涂硼2. GEM两侧涂硼两侧涂硼9MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月研研发发中子探中子探测专测专用用GEM膜膜nTHGEM(谢谢宇广宇广) 10Insulator Copper伴随快中子伴随快中子反冲质子反冲质子CopperInsulatorCopperCopperB-10B-10

10、ndp1. 热热中子的散射中子的散射2. 伴随快中子反冲伴随快中子反冲质质子影响子影响3. 孔孔间间距与敷距与敷铜铜率率对对探探测测效率和位置分辨的影响效率和位置分辨的影响有效面有效面积积： ：50mm50mm， ，100mm100mm， ，200mm200mm单单位位GEM 膜膜绝缘绝缘介介质质孔直径孔直径d(m)孔心孔心间间距距p(m)铜铜厚厚(m)膜膜总总厚厚(m)敷敷铜铜率率CERNStandard GEMKapton7014056077%CERNTHGEMFR420050010-2020085%CERNnGEM Kapton7021056090%IHEPnTHGEM 陶瓷陶瓷 200

11、6002020090%2.3612pFWHM位置分辨变差为什么研发中子探测专用为什么研发中子探测专用nTHGEM 膜？膜？-减少含氢材料使用减少含氢材料使用MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月高高压压与信号引出与信号引出11信号引出：信号引出：u X与Y方向对称，每个象素1.56mm1.56mm，u 为减少中子散射，采用Kapton柔性PCB，通过层间多层走线实现信号引出高压引出：高压引出： 采用采用1 1路高压通过电阻链分配的方式同时为路高压通过电阻链分配的方式同时为nTHGEMnTHGEM提供提供多路高压。多路高压。 HV-inGND Cathode nTHGEM nTHGEM

12、 MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月 专用高压电源设计专用高压电源设计( (手动控制手动控制) )12研究目的：研究目的：p 高压电源靠近探测器，减少高压引入的噪声高压电源靠近探测器，减少高压引入的噪声p 小型化，提高系统集成度，便携，降低功耗，真空下使用小型化，提高系统集成度，便携，降低功耗，真空下使用纹波小于纹波小于20mV20mVMPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月 专用高压电源设计专用高压电源设计(远程控制远程控制)n 基于NI-SOM的网络控制, 运行实时Linux系统，集成EPICS，精度16 bit(ADC/DAC)，功耗4W 13DetectorHV

13、Module SOM Switch/PCSpecificationsSpecifications：MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月采用二维信号符合的方法确定中子击中的位置，与重心法相比，不需要采用二维信号符合的方法确定中子击中的位置，与重心法相比，不需要读取电荷，速度快，包括模拟部分和数字部分：读取电荷，速度快，包括模拟部分和数字部分：u 模拟部分：模拟部分：由4片64路ASIC芯片(国外采购)完成，每一路包含前置放大器、成形电路与比较器，输出带有时间戳和读出条ID的数字信号u 数字部分：数字部分：基于FPGA实现，中子击中时一般23个相邻读出条相应，通过信号符合，挑选相邻且同

14、时的事例，最终给出中子击中的位置与时间信息，数据由网络端口传送至PC14FPGA读出条前放+成形 符合电路 甄别器击中事例 (x,y,t) DAC 256路(x、y方向)网络读出 电脑&数据获取ASIC读出电子学与读出电子学与数据获取数据获取MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月探测器原理样机设计探测器原理样机设计IHEP-THGEMAr/CO2 (90/10)2mm4 mma or 7Li2kV/cm1 kV/cm IHEP-BUAA涂硼漂移电极二维读出电路漂移区感应区探测器结构：探测器结构：系统布局：系统布局：气体腔室DAQ Box usb通气口15性能参数性能参数 设计

15、设计指指标标有效面有效面积积50mm*50mm热热中子注量率中子注量率109n/cm2.s 位置分辨率位置分辨率3mm(FWHM)TOF时间时间分辨率分辨率1MHzMPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月面均匀性测试面均匀性测试 55Fe X ray 55Fe X ray n55Fe 放射源通过2mm直径准直孔对准探测器面上5个点，分别测量5各点计数，5个点计数不均匀性小于5%16MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月计数率测试计数率测试X X 光机光机nX光机与测试现场光机与测试现场n探测器坪曲线、总计数率随探测器坪曲线、总计数率随X光机电流变化光机电流变化牛津牛津X 光机

16、参数：光机参数：靶：靶： 铜铜特征特征X射线：射线：8keV工作电压：工作电压：10-50keV电流：电流：0.1-1mAu1MHz以上开始出现饱和，但是仍能工作u总计数率2MHz时数据获取系统停止工作X光机高压选择20kV探测器总电压选择2100V高压分配盒高压分配盒探测器探测器X X光机光机铅屏风铅屏风17MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月18 中国计量院强流中国计量院强流X X光机测试光机测试X 射线单能光子源射线单能光子源GEM探测器探测器HV=-2250V X光机准直器单色器准直器能量：60keVMPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月中国原子能科学研究院中国原

17、子能科学研究院CARRCARR堆中子束流测试堆中子束流测试19反射谱仪：反射谱仪：u单色器： 石墨u中子波长：4.75 /2.4 u出口通量：5103 n/cm2su束斑形状： 20mm40mmTOF TOF 测试测试2.4 4.7 聚焦硅单色器焦距和焦斑测量聚焦硅单色器焦距和焦斑测量MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月九院二所九院二所CMRRCMRR堆中子束流测试堆中子束流测试u粉末衍射谱仪：粉末衍射谱仪：n 中子波长：1.59 (0.0324eV)n 出口通量：3*104 n/cm2.sn 束斑设计尺寸：25mm30mm束流孔道束流孔道单色器单色器样品环境样品环境探测器探测器2

18、0FWHM: 2.870.01 3.000.01 2.750.01u反射谱仪反射谱仪(TOF )老化实验老化实验波长波长TOFMPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月大面大面积积nTHGEM探探测测器研制器研制n探测器结构 X/Y二二维读维读出条出条经经多多层层PCB板引出板引出21THGEMReadout board X-Y strip nTHGEM-10BCathode-10BIon-HVMultilayerAr/CO2(90/10)n技术参数u有效面积：有效面积：200mm200mm200mm200mmu高分辨区：高分辨区：中心区中心区40mm40mm40mm40mm，条宽，条宽0.63mm0.63mmu低分辨区：低分辨区：四周，条宽四周，条宽3.13mm3.13mmu路数：路数： X(64X(64路路)+64()+64(路路)=128)=128路路2 0 0 mm200mm40mm40mm高压高压前端电子学前端电子学入射窗入射窗MPGD 2015， 兰州大学， 2015年7月 密闭探测器研制密闭探测器研制n研究研究动动机：机：与外界密封隔与外界密封隔绝绝，确保探，确保探测测器性能器性能长长期期稳稳定，不容易受外定，不容易受外接接环环境影响