微弧氧化项目真空镀氮化钛膜氧化铝膜微弧氧化Indico高能物理课件

密闭式GEM中子探测器的研究李科1,2)，周健荣2)，周良2)，孙志嘉2)，胡碧涛1)，陈元柏2）1)兰州大学2)中国散裂中子源(CSNS)2)高能物理研究所第五届全国微结构气体探测器会议，兰州，2015密闭式GEM中子探测器的研究李科1,2)，周健荣2)，周良2目录研究背景中子探测的特殊性密闭式探测器的整体设计关键部件的研究关键技术的研究总结2目录研究背景2LS2GE1/1CMSGEMProjectGEMupgradeoftheALICETPC研究现状：1.带电粒子或光子探测：大面积、大型谱仪径迹探测器2.中子探测：小面积(0.2m*0.2m)、高通量、高精度探测器3.工作模式：流气式，大面积探测器内部放气物质种类多，难以除气，难以实现密闭探测器HeidelbergUniversityKEK

GEM探测器国际发展与现状31.研究背景LS2GE1/1CMSGEMProjectGEMupg流气式GEM中子探测器技术趋于成熟，探测器关键技术基本实现国产化，工作时需要额外配置供气系统。密闭探测器研究动机：

中子散射实验要求探测器长期稳定工作，密闭探测器与外界隔绝，稳定性高在谱仪大厅，出于安全、空间限制、气体排放限制等，不便使用流气式探测器在移动场景、临时测试场地，不便携带气体钢瓶50mm50mm密闭探测器研究目标：

两种探测器：计数型和位置灵敏型以大科学工程应用为驱动，满足国内在建的中子散射实验装置的需求

实现小型化、系统集成，关键技术全部国产化4性能参数

设计指标有效面积50mm*50mm热中子注量率<109n/cm2.s位置分辨率<3mm(FWHM)TOF时间分辨率<1μs探测效率@1.8Å～4%总计数率>1MHz工作模式实时监测1.研究背景:CSNS涂硼GEM中子探测器研究现状流气式GEM中子探测器技术趋于成熟，探测器关键技术基本实现国2.中子探测的特殊性GEMAr/CO2

ｎ涂硼漂移电极漂移区感应区5中子的特殊性：电中性，穿透力强，轻元素敏感非单能(能谱)，探测效率随能量变化伴随较强γ射线及高能快中子能活化大部分物质，产生次级粒子Neutronbeammonitor2.中子探测的特殊性GEMAr/CO2ｎ涂硼漂移电极漂移区3.密闭式探测器的整体设计IHEP-nTHGEMAr/CO2(90/10)2mm4mmｎaor

7Li3kV/cm1kV/cmIHEP-BUAA涂硼漂移电极单路计数或者二维读出漂移区感应区探测器结构：系统布局：高压前端电子学探测器6基于密闭式探测器整体设计考虑，要求各部件对中子束流散射小、耐高温烘烤、释气少，各部件材料选择如下：腔体材料选用铝合金选用多针feedthrough接头，采取焊接方式研发中子专用陶瓷基材nTHGEM膜PCB读出板换用柔性Kapton材料关键技术：密封和Outgassing探测器部件材料选择3.密闭式探测器的整体设计IHEP-nTHGEMAr/CO2陶瓷nTHGEM研制(谢宇广)CopperCeramicsDrilling

Au7有效面积：50mm×50mm，100mm×100mm，200mm×200mm单位GEM膜绝缘介质孔直径d(μm)孔心间距p(μm)铜厚(μm)膜总厚(μm)敷铜率ɳIHEPnTHGEM陶瓷2006002020090%4.关键部件的研究陶瓷nTHGEM研制(谢宇广)CopperCeramicsD55Fe_X射线(5.9keV)测试铜靶X光机(8keV)测试出气探测器进气X光管nTHGEMAr/CO2(90/10)

Di=2mmDd=4mmxEiEdCathodePreamplifier+MCA

HV-inGNDR1R2

R310MΩ10MΩ10MΩActivearea50mm*50mm84.关键部件的研究陶瓷nTHGEM的测试55Fe_X射线(5.9keV)测试铜靶X光机(8keV)测计数率稳定性涨落16%252Cf中子源测试计数率坪曲线，合适选取工作电压E字成像9计数率稳定性测试4.关键部件的研究计数率稳定性涨落16%252Cf中子源测试计数率坪曲线，合适有效面积50*50mm64路:32ch(x)+32ch(y)条周期:1.56mm条连接方式：三角块连接换用柔性Kapton材料：PCB厚度由1mm降低至0.56mm，减少了束流穿过的物质量，降低了中子散射耐200

℃以上的高温，可烘烤，放气少，耐老化、耐辐照信号读出柔性电路板Geant4104.关键部件的研究有效面积50*50mm换用柔性Kapton材料：信号读出柔性FPGA读出条前放+成形

符合电路甄别器击中事例

(x,y,t)DAC

64路(x、y方向)USB读出电脑&数据获取ASIC探测器A111前端电子学TTL输出114.关键部件的研究2）二维位置灵敏读出电子学：32路(x)+32路(y)，ASIC+FPGA+usb读出1）计数型电子学：AMPTEKA111，单路前放耦合甄别器芯片，直接输出TTL信号电子学小型化、集成化FPGA读出条符合电路甄别器击中事例封装后高压电源尺寸：

110*74.6*40mm优势：高压电源前移至近探测器端，与探测器集成，可以减少高压电源长距离传输的影响，提高探测器信号质量探测器输入输出为低压，没有高压，可用于真空环境，防止高压打火专用化，小型化及集成化输入电压输出电压控制电压高压纹波参数12V0-3000V0-5V<20mV124.关键部件的研究高压电源性能参数：高压电源前端集成低压控制3路高压输出电压监测电流监测12V输入ISEG高压模块12V低压输入，经高压模块升压转换，由电阻链分配输出3路负高压封装后高压电源尺寸：110*74.6*40mm优势：输入复合材料刀口法兰焊接处实验用密闭腔体的机械设计、密封的螺栓分布与预紧力的计算铝与不锈钢焊接：钎焊料过渡、铝和不锈钢复合板过渡、镍层过渡显示铝与不锈钢焊接漏率：1×10-11

mbar.l/s微弧氧化的铝腔体未氧化的铝腔体采取复合板过渡焊接工艺，将铝和不锈钢焊接，保证泄漏率较小，方便后续试验测量，为以后feedthrough接头焊接提供经验135.关键技术的研究腔体设计与焊接复合材料刀口法兰焊接处实验用密闭腔体的机械设计、密封的螺栓分腔体密封圈选择5.关键技术的研究选用弹簧金属密封圈，漏率为1×10-11

mbar.l/s，且具有一定的回弹性（0.8mm），减少烘烤后冷却带来的密封问题密封类型加工尺寸限制潜在的密封能力（mbar.l/s)工作温度范围（℃）需要的密封载荷(N/mm)

优点缺点铜垫片300mm(maxidia.)1*10^-10+400-269350价格低；耐辐照；高寿命有限尺寸；法兰与密封圈需要很好的表面，一般用于刀口密封；重复密封次数少铝制带刀口密封圈1000mm(maxidia.)1*10^-9+80120低密封载荷；批量生产价格比较便宜烘烤温度不高；不能够用于低温环境；不能够重复使用；加工不容易橡胶密封圈没有1*10^-7+200-4020价格低；低密封载荷；可以重复使用；适用任何形状有限的性能；有限的烘烤温度；对辐照敏感；有限的寿命螺旋弹簧密封圈2000mm(maxidia.)1*10^-10+300（Aluminum)120低密封载荷；烘烤温度高；耐辐照；可以做成非环状；价格高；不能够重复使用+450(Copperlining)150-26914腔体密封圈选择5.关键技术的研究选用弹簧金属密封圈，漏率为15.关键技术的研究铝腔体表面处理——微弧氧化项目真空镀氮化钛膜氧化铝膜微弧氧化阳极氧化硬质阳极氧化磁控溅射最大厚度（微米）<1300<4050-80<1吸附氢气、水等能力强强弱较强弱抗热冲击高温下容易脱落可承受2500℃以下的热冲击差差差均匀性内外不均匀内外均匀，基本是晶体相产生“尖边”缺陷产生“尖边”缺陷内外不均匀通过电解液与相应电参数的组合，在铝合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层在密闭腔体表面生长出50微米氧化铝陶瓷晶体薄膜，减少腔体内部的气体释放155.关键技术的研究铝腔体表面处理——微弧氧化项目真空镀氮化钛5.关键技术的研究微弧氧化前后的实验对比实验腔体整体测试：

采用带弹簧金属密封圈进行密封、铝不锈钢复合板过渡焊接、腔体表面微弧氧化、150℃高温72小时烘烤，并抽到10-7

Pa，杂质气体生成率为10-14

mbar.l/（s.cm2)，即一年内产生的杂质气体比例为0.1‰H2：3.83×10-12

H2O：5.85×10-13

CO：3.90×10-13

CO2：3.90×10-13

H2：2.46×10-12

H2O：4.17×10-14

CO：3.82×10-14

CO2：2.12×10-14

未氧化微弧氧化后出气率测试对比：未氧化：3.45×10-14mbar.l/(s.cm2)微弧氧化：3.11×10-14mbar.l/(s.cm2)残余气体组分对比：

无论腔体氧化与否，残余气体主要成分是氢气、水、一氧化碳、二氧化碳等。微弧氧化后氢气含量是没有氧化的64%，水、一氧化碳、二氧化碳降了一个数量级165.关键技术的研究微弧氧化前后的实验对比实验腔体整体测试：H烘烤箱超声波清洗洁净室组装烘烤状态下充气抽真空多次循环175.关键技术的研究探测器组装和充气处理技术指标：充气压力:0-10bar充气气体:Ar,CO2（比例可调）真空度:10-4Pa烘烤温度:<300℃烘烤箱超声波清洗洁净室组装烘烤状态下充气抽真空多次循环175总结完成了关键部件的测试完成了密闭式腔体的研究设计探测器加工和组装（正在进行）研究充气处理工艺和探测器长期稳定性问题18总结完成了关键部件的测试18密闭式GEM中子探测器的研究李科1,2)，周健荣2)，周良2)，孙志嘉2)，胡碧涛1)，陈元柏2）1)兰州大学2)中国散裂中子源(CSNS)2)高能物理研究所第五届全国微结构气体探测器会议，兰州，2015密闭式GEM中子探测器的研究李科1,2)，周健荣2)，周良2目录研究背景中子探测的特殊性密闭式探测器的整体设计关键部件的研究关键技术的研究总结2目录研究背景2LS2GE1/1CMSGEMProjectGEMupgradeoftheALICETPC研究现状：1.带电粒子或光子探测：大面积、大型谱仪径迹探测器2.中子探测：小面积(0.2m*0.2m)、高通量、高精度探测器3.工作模式：流气式，大面积探测器内部放气物质种类多，难以除气，难以实现密闭探测器HeidelbergUniversityKEK

GEM探测器国际发展与现状31.研究背景LS2GE1/1CMSGEMProjectGEMupg流气式GEM中子探测器技术趋于成熟，探测器关键技术基本实现国产化，工作时需要额外配置供气系统。密闭探测器研究动机：

中子散射实验要求探测器长期稳定工作，密闭探测器与外界隔绝，稳定性高在谱仪大厅，出于安全、空间限制、气体排放限制等，不便使用流气式探测器在移动场景、临时测试场地，不便携带气体钢瓶50mm50mm密闭探测器研究目标：

两种探测器：计数型和位置灵敏型以大科学工程应用为驱动，满足国内在建的中子散射实验装置的需求

实现小型化、系统集成，关键技术全部国产化4性能参数

设计指标有效面积50mm*50mm热中子注量率<109n/cm2.s位置分辨率<3mm(FWHM)TOF时间分辨率<1μs探测效率@1.8Å～4%总计数率>1MHz工作模式实时监测1.研究背景:CSNS涂硼GEM中子探测器研究现状流气式GEM中子探测器技术趋于成熟，探测器关键技术基本实现国2.中子探测的特殊性GEMAr/CO2

ｎ涂硼漂移电极漂移区感应区5中子的特殊性：电中性，穿透力强，轻元素敏感非单能(能谱)，探测效率随能量变化伴随较强γ射线及高能快中子能活化大部分物质，产生次级粒子Neutronbeammonitor2.中子探测的特殊性GEMAr/CO2ｎ涂硼漂移电极漂移区3.密闭式探测器的整体设计IHEP-nTHGEMAr/CO2(90/10)2mm4mmｎaor

7Li3kV/cm1kV/cmIHEP-BUAA涂硼漂移电极单路计数或者二维读出漂移区感应区探测器结构：系统布局：高压前端电子学探测器6基于密闭式探测器整体设计考虑，要求各部件对中子束流散射小、耐高温烘烤、释气少，各部件材料选择如下：腔体材料选用铝合金选用多针feedthrough接头，采取焊接方式研发中子专用陶瓷基材nTHGEM膜PCB读出板换用柔性Kapton材料关键技术：密封和Outgassing探测器部件材料选择3.密闭式探测器的整体设计IHEP-nTHGEMAr/CO2陶瓷nTHGEM研制(谢宇广)CopperCeramicsDrilling

Au7有效面积：50mm×50mm，100mm×100mm，200mm×200mm单位GEM膜绝缘介质孔直径d(μm)孔心间距p(μm)铜厚(μm)膜总厚(μm)敷铜率ɳIHEPnTHGEM陶瓷2006002020090%4.关键部件的研究陶瓷nTHGEM研制(谢宇广)CopperCeramicsD55Fe_X射线(5.9keV)测试铜靶X光机(8keV)测试出气探测器进气X光管nTHGEMAr/CO2(90/10)

Di=2mmDd=4mmxEiEdCathodePreamplifier+MCA

HV-inGNDR1R2

R310MΩ10MΩ10MΩActivearea50mm*50mm84.关键部件的研究陶瓷nTHGEM的测试55Fe_X射线(5.9keV)测试铜靶X光机(8keV)测计数率稳定性涨落16%252Cf中子源测试计数率坪曲线，合适选取工作电压E字成像9计数率稳定性测试4.关键部件的研究计数率稳定性涨落16%252Cf中子源测试计数率坪曲线，合适有效面积50*50mm64路:32ch(x)+32ch(y)条周期:1.56mm条连接方式：三角块连接换用柔性Kapton材料：PCB厚度由1mm降低至0.56mm，减少了束流穿过的物质量，降低了中子散射耐200

℃以上的高温，可烘烤，放气少，耐老化、耐辐照信号读出柔性电路板Geant4104.关键部件的研究有效面积50*50mm换用柔性Kapton材料：信号读出柔性FPGA读出条前放+成形

符合电路甄别器击中事例

(x,y,t)DAC

64路(x、y方向)USB读出电脑&数据获取ASIC探测器A111前端电子学TTL输出114.关键部件的研究2）二维位置灵敏读出电子学：32路(x)+32路(y)，ASIC+FPGA+usb读出1）计数型电子学：AMPTEKA111，单路前放耦合甄别器芯片，直接输出TTL信号电子学小型化、集成化FPGA读出条符合电路甄别器击中事例封装后高压电源尺寸：

110*74.6*40mm优势：高压电源前移至近探测器端，与探测器集成，可以减少高压电源长距离传输的影响，提高探测器信号质量探测器输入输出为低压，没有高压，可用于真空环境，防止高压打火专用化，小型化及集成化输入电压输出电压控制电压高压纹波参数12V0-3000V0-5V<20mV124.关键部件的研究高压电源性能参数：高压电源前端集成低压控制3路高压输出电压监测电流监测12V输入ISEG高压模块12V低压输入，经高压模块升压转换，由电阻链分配输出3路负高压封装后高压电源尺寸：110*74.6*40mm优势：输入复合材料刀口法兰焊接处实验用密闭腔体的机械设计、密封的螺栓分布与预紧力的计算铝与不锈钢焊接：钎焊料过渡、铝和不锈钢复合板过渡、镍层过渡显示铝与不锈钢焊接漏率：1×10-11

mbar.l/s微弧氧化的铝腔体未氧化的铝腔体采取复合板过渡焊接工艺，将铝和不锈钢焊接，保证泄漏率较小，方便后续试验测量，为以后feedthrough接头焊接提供经验135.关键技术的研究腔体设计与焊接复合材料刀口法兰焊接处实验用密闭腔体的机械设计、密封的螺栓分腔体密封圈选择5.关键技术的研究选用弹簧金属密封圈，漏率为1×10-11

mbar.l/s，且具有一定的回弹性（0.8mm），减少烘烤后冷却带来的密封问题密封类型加工尺寸限制潜在的密封能力（mbar.l/s)工作温度范围（℃）需要的密封载荷(N/mm)

优点缺点铜垫片300mm(maxidia.)1*10^-10+400-269350价格低；耐辐照；高寿命有限尺寸；法兰与密封圈需要很好的表面，一般用于刀口密封；重复密封次数少铝制带刀口密封圈1000mm(maxidia.)1*10^-9+80120低密封载荷；批量生产价格比较便宜烘烤温度不高；不能够用于低温环境；不能够重复使用；加工不容易橡胶密封圈没有1*10^-7+200-4020价格低；低密封载荷；可以重复使用；适用任何形状有限的性能；有限的烘烤温度；对辐照敏感；有限的寿命螺旋弹簧密封圈2000mm(maxidia.)1*10^-10+300（Aluminum)120低密封载荷；烘烤温度高；耐辐照；可以做成非环状；价格高；不能够重复使用+450(Copperlining)150-26914腔体密封圈选择5.关键技术的研究选用弹簧金属密封圈，漏率为15.关键技术的研究铝腔体表面处理——微弧氧化项目真空镀氮化钛膜氧化铝膜微弧氧化阳极氧化硬质阳极氧化磁控溅射最大厚度（微米）<1300<4050-80<1吸附氢气、水等能力强强弱较强弱抗热冲击高温下容易脱落可承受2500℃以下的热冲击差差差均匀性内外不均匀内外均