TPC气体探测器研究_张耀锋.pdf

TPC 气体探测器研究*张耀锋1）尹远1）曹蕾1）刘熔2）刘林3）张春雷1）（1）北京师范大学核科学与技术学院，100875，北京；2）北京师范大学分析测试中心，100875，北京；3）北京师范大学地理科学学部，100875，北京）摘要开展时间投影室（TPC）气体探测器的研制工作：1）设计了探测器漂移区场笼结构，通过设计与优化印刷电路板等梯度势电极的精确位置构建，获得了均匀的电场分布；2）探测器雪崩放大区通过构建 3 层细丝电极实现；3）探讨了多层多根细丝电极的电场分布计算、电极焊接安装工艺、电极细丝张力维持、探测器不同工作状态转换等工艺技术；4）采用 DPC 电阻阵列法对探测器的信号读出部分进行简化，实现 20 路20 路接收电极输出简化为 4 路输出，并进行了位置刻度试验；5）利用研制的探测器开展了宇宙射线入射信号的测量，获得了真实有效的输出波形，测量波形结果与模拟结果基本一致，并取得了电离事件的有效二维位置分布.本工作可为类似 TPC 探测器的研制及试验提供经验积累和技术借鉴.关键词时间投影探测器；电场计算；多丝电极；宇宙射线测量；DPC 电阻阵列中图分类号TL811；TL815DOI：10.12202/j.0476-0301.20220090引言时间投影室（timeprojectionchamber，TPC）气体探测器是在多丝正比计数器的基础上发展起来的，被用于核物理试验与技术应用领域的粒子径迹探测设备1.它利用入射粒子与探测器介质气体所发生的电离效应，通过测量二维平面接收板上由于电离电子-离子在电场中做定向漂移运动而感应出的脉冲信号，获得入射粒子的二维分布位置.此外，由电离电子的漂移时间可获得入射粒子纵向位置的测量结果.最终，探测器实现入射粒子的三维位置测量并构建三维运动径迹.典型的 TPC 探测器已被分别应用于欧洲核子中心（CERN）的ALEPH 试验2，日本粒子物理实验室（KEK）的 TOPAZ 试验3，美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的 STAR 试 验4，CERN 的 大 型 强 子 对 撞 机（LHC）的 ALICE 试验5等，它们主要被用作对撞机试验的中心径迹探测器.此外，通过施加强磁场，TPC 探测器依据测量得到的粒子偏转半径，可获得粒子动量，并进一步实现粒子类型的鉴别.如美国密歇根州立大学（MSU）的 SRITTPC 可实现重离子束-靶反应产物类型的鉴别测量6，主要用于原子核高密度区域对称能领域研究.随着技术的不断发展，TPC 探测器也在不断地改进、发展.如：高气压 TPC 探测器、气液双相介质的 TPC 探测器分别被用于无中微子双 衰变与暗物质相关试验研究7；探测器的信号放大部分，也由细丝电极放大向着 GEM 膜8、微网气体探测器（micromegas）结构9、THGEM10结构等多种类型发展.本文介绍一项 TPC 气体探测器的研制工作，涉及探测器漂移区场笼结构的优化及技术实现、电子雪崩区域的设计及加工、多阳极收集板平面的加工制作、电阻阵列法实现电离信号的二维位置确定，以及探测器对于宇宙射线的试验测量等，为类似TPC探测器装置的研制提供技术积累和借鉴.1TPC 探测器结构设计TPC 探测器主要分为漂移区和雪崩放大区 2 部分（图 1）.在漂移区内，待测粒子与介质气体分子发*国家自然科学基金资助项目（11605009）；计量与校准技术国防科技重点实验室开放课题资助项目（JLKG2022001C003）通信作者：张耀锋（1982），男，博士，副教授.研究方向：核技术及应用.E-mail:收稿日期：2022-01-06电场电子漂移区磁场雪崩区yzxO图1TPC气体探测器工作示意2023-02北京师范大学学报（自然科学版）59（1）JournalofBeijingNormalUniversity（NaturalScience）19生电离作用，产生离子-电子对.电子在纵向电场的作用下进行漂移移动，最终到达雪崩放大区域.在雪崩放大区，电子发生雪崩，在阳极接收平面（xOy 平面）内最邻近的接收电极板上感应出脉冲信号.该接收电极板的横向平面位置，即为入射粒子发生电离作用的二维横向位置.通过精确测量电子漂移时间，可以获得入射粒子发生电离时的纵向位置，最终得到电离粒子的三维位置测量结果.为了对电离电子在漂移过程中的横向扩散效应进行抑制，以提高测量结果的准确性，探测器还需要在纵向方向施加固定强度的磁场.TPC 探测器的结构设计依照漂移区和雪崩放大区 2 部分开展.1.1漂移区场笼结构设计及研制纵向电场强度（E）大小是探测器漂移区的重要参数.探测器要求漂移区电场应具有一定的强度，使得电子具有较高的漂移速度，以提高探测器的时间响应；同时区域内电场应分布均匀，以获得准确的纵向位置测量结果.电离电子在气体介质中的漂移速度不仅与电场强度有关，还与气体成分、压强有关.综合考虑信号收集区域对于气体成分的要求11，探测器气体选择 1 个标准大气压的氩甲烷混合气体（P10，Ar 占比 90%，CH4占比10%）.E120Vcm1时，电离电子的漂移速度最大（6cms1）.基于此，选取探测器漂移区纵向 Ez=120Vcm1.为了获得均匀分布的电场，漂移区四周构建在纵向具有等梯度电势分布的电极边界.这些电极需具有合适的结构和精确的位置分布，才能有效保证漂移区电场的均匀性.探测器漂移区设计尺寸为 300mm160mm205mm（x-y-z），利用探测器模拟程序 Garfield对该尺寸范围内的电场进行优化计算，最终得到漂移区四周边缘电极的结构分布（图 2）.顶部支撑件条带电极漂移区阴极板PCB 板单位：mmRRRRR0z24436图2探测器漂移区周围场笼结构示意选用条带电极作为四周分压电极，条带的宽、间距分别为 6、4mm，周期排列.条带结构分为内外2 层，2 层之间在纵向有 5mm 的偏移.条带结构底部与阴极板接触，顶层与支撑电极板接触，接触区域均为半周期结构.为了确保条带电极定位精确，采用印刷电路板覆铜处理的方法进行加工制作.不同的分压条带电极施加的电势不同，相邻 2 条带之间通过分压电阻 R 连接，而顶层支撑电极通过电阻 R0接地.通过优化配置不同的电阻 R 和 R0，最终只需要施加 1 路与阴极板相连的高压（Vca），即可实现对各层分压电极电势的施加.基于图 2 所示的具有条带电极的场笼结构，使用 Garfield 程序对漂移区电场进行模拟计算，得到区域内等电势分布结果（图 3）.z/cm0000024682002004004006008001 0001 2001 4001 6001 8002 0002 2002 4002 6006008001 0005 mm1 2001 4001 6001 8002 0002 2002 4002 600200200101214161820漂移区12.2x/cm12.613.013.413.814.214.615.015.415.8阴极板图3探测器漂移区等电势（单位 V）分布由图 3 可见：漂移区区域内电场分布均匀性较好，电场的畸变主要发生在邻近条带电极 5mm 范围内；核心探测区域内实际电势与理想值最大相对偏差约为0.1%，该分布满足探测器的实际需求.1.2雪崩放大区结构设计优化电子在探测器漂移区运动时，感应信号非常微弱，一般需要放大后才能进行测量.利用细丝电极表面邻近区域内强电场下气体的雪崩效应，可实现信号放大.探测器被设计了阳极细丝电极阵列，电极选用镀金钨丝制作，直径为20m；各细丝电极之间横向间距、电压分别为4mm和 1.4kV，位于 z=2.5cm.为了使各个阳极细丝电极附近的电场分布保持一致，探测器引入接地电极细丝阵列.接地细丝电极选用铍铜丝，直径为 80m，施加电势为 0V，位于 z=2.1cm，相邻接地细丝之间间距为 1mm.此时，阳极细丝电极表面电场强度可达1.8105Vcm1，满足 P10 气体中电子雪崩的要求.本研究还为探测器设计了栅极细丝电极阵列，以便利用外部触发信号对进入探测器雪崩区域的电子20北京师范大学学报（自然科学版）第 59 卷进行阻断控制，使得电离电子只有在需要测量时才能进入该区域.该功能有利于对测量信号进行时间标定以便进行纵向位置测量，同时也提高了探测器的工作效率.栅极细丝的结构、材料以及横向位置的分布，均与接地细丝电极阵列相同，位于 z=1.5cm.通过计算，得到了探测器不同工作状态下雪崩放大区域等电势的分布结果.当探测器处于正常测量状态时（图 4-a），所有的栅细丝电极施加 V0=110V.此时栅细丝电极附近区域内主要为纵向电场，电离电子可以顺利通过该区域进入雪崩放大区.而当探测器处于阻断状态时（图 4-b），栅细丝电极按照横向排列计数分为奇和偶 2 组.2 组电极丝在基本电势的基础上，额外施加相对偏压 V=35V，使得这 2 组电极丝之间存在较大的横向电场，能够有效阻断漂移区的电子进入雪崩放大区.对探测器雪崩放大区，本研究进行了电子漂移运动模拟，结果也符合预期：Voff=0V时（图 5-a），电离电子能够完全通过栅细丝电极区域，最终被阳极细丝电极收集；Voff=35V（图 5-b）时，电离电子则被具有较高电势的栅极细丝电极收集，不能进入雪崩区域，实现了探测器工作状态的控制转换.1.541.521.501.481.462.1z/cmx/cma 探测器打开，Voff =0 V b 探测器关闭，Voff =35 V 栅极丝栅极丝1.91.71.51.31.10.90.350.250.150.0500.050.150.250.350.350.250.150.0500.050.150.250.35x/cm989800002020202040404040606060608080808090909090130130140140160160150150170170100100110110120120100100102102104112112104106108110110110110110110110110110110110110110110110110108108108108108106106图4TPC探测器栅极细丝电极不同工作状态下电势分布2.5abz/cm2.32.11.91.71.52.52.7阳极丝接地丝栅极丝阳极丝接地丝栅极丝2.32.11.91.71.51.31.1x/cma 探测器打开，Voff =0 Vb 探测器关闭，Voff =35 Vx/cm0.350.250.150.0500.050.150.250.350.350.250.150.0500.050.150.250.35图5探测器栅极细丝电极不同工作状态下电子漂移模拟轨迹基于探测器雪崩放大区域的优化设计，开展了探测器部件的制作工作.采用印刷电路板焊接的方法连接细丝电极，通过定位基准线，实现细丝电极横向位置精度为0.05mm.为了减小纵向由于重力、电场作用力所引起的形变，焊接电极细丝的过程中保持一定的拉力.阳极电极与其他细丝电极的维持拉力分别为 0.196和0.784N.最终顺利完成探测器的制作.第 1 期张耀锋等：TPC 气体探测器研究212探测器多电极接收板设计及外围电阻阵列法定位本研究设计了探测器多电极接收板单元，用以实现二维的入射粒子初始位置测量.该单元与阳极细丝电极阵列纵向间距为 4mm，即位于 z=2.9cm.接收板单元同样以印刷电路板为基体，在其上进行覆铜、镀金处理，整体分为 2020 接收板二维阵列，共计 400 路输出.单路接收板尺寸为 4mm4mm，这决定了入射粒子单一位置测量精度为 4mm.采用电荷分配简化读出法，搭建离散定位电路（DPC）电阻阵列，实现读出系统简化为 4 路输出（图 6）.VaVcVdVbRLR0R0P1P2P21P361P381P382P400P399P362P379P380P22P39P40P19P20R0R0R0R0RLR0R0R0R0R0R0R0R0R0R0R0R0R0R0R0R0R0RLRLR0R0图6探测器读出系统DPC电阻阵列示意各个接