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1、本科毕业设计论文题 目 专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间 摘要Micromegas 探测器 (MieroMeshGaseousStructure)是上世纪九十年代中期由法国 saclay小组研制的一种平行板结构气体探测器。该探测器采用微网(Micromesh，协 m 量级厚度)把灵敏区域分成不对称的两区:漂移区(driftg 即 s 或 eonversionspaee，3 一 10mm)和放大区 (amplifieationgaps，100 林 m 量级)。工作时漂移区内的电子穿过微网到达放大区发生雪崩，并通过相应的电极进行信号收集。Micromegas 探测器具有高计数率、高增益、良好
2、的时间分辨和位置分辨、优良的抗辐照性能等一系列优点。另外，Micromegas 探测器采用成熟的微电子技术和精细加工工艺，使其具有成本低廉、大灵敏面积而且读出方便等优点。这些优点使 Mieromegas 探测器便于与不同转换体连用以达到不同探测目的。针对Mieromegas 探测器的工作性能，本文从两方面进行详细的分析和研究:物理特性模拟和研制测试。在模拟方面，用 AnsoftMell3D 电场计算软件与 Garfield 程序包相结合，对 Micromegas 探测器的物理性能进行模拟研究。主要包括以下几方面:利用 AnsoftMaxwell 模拟了三维电场分布情况;利用 Garfield
3、程序包不仅计算了 Ar/CO:不同比例混合的气体条件下漂移速度，扩散系数等参数，还模拟了时间分辨、位置分辨等探测器的性能。这些模拟结果可以帮助我们深入了解 Mieromegas 的工作原理，从而给实验提供了有益的参考。关键词:Micromegas;X 射线源;性能;模拟AbstraetInthebeginningofthe1990decade，MicromegasdetectorhadbeendeveloPed byY.GiomatarisandG.CharpakinSaelaygrouPofFreneh.ItbelonMPGD(MieroPattemGaseousDetectors).Mie
4、romegasdeteetor15averyasmetritwarallelPlateavalaneheehamber.ftusesathinmctalgridtoseParatethedrift。 regionwherethePrimaryeleetronsareProdueedfromtheamPlifieationregion(一 100pmthiek)wheretheyaremultiPlied.fthasshowngreatPromiseforhandlinghigh datarateswitharatherloeoststrueture.IteanProvideverygoodga
5、sgain，sPaceresolutionandtimeresolutionwithsmalldeadsPaees too.50it15widelyusedinany ranchofnuclearPhysiesexPeriments， themedicineimaging，andthelike.InourgrouP，wedeveloPedthefirstmciromegasdetectorinChina.The PerformaneeofMicromegas15studiedbythe3DsimulationandtheexPerimentscarefully. Keywords:Microm
6、egas;Performanee:simulation;exPeriment;X 一 ray第一章引言本工作致力于研制能够满足兰州大学中子成像设备所需要的 Micromegas 探测器。中子成像是一种与 x 射线成像互补的无损探测技术，在国际上经过多年的发展，现在己经应用于多种领域的研究，在发达国家也成为航天航空领域标准的无损检测手段。难以实现高分辨率的中子位置测量，导致中子成像在国内的应用开展缓慢，一定程度上限制了国内无损检测技术的发展。Micromegas 探测器不仅具有高计数率(对于光子为 1 沪mm 一 2s 一 1)、良好的位置分辨(100 林 m)、高增益下长期稳定的工作性能以及很
7、好的抗辐照性能2，3等特性;相对于半导体探测器，它还具有低廉制作成本和易于工艺加工的特点。因此国际上有诸多小组在研制以 Micromegas 探测器为基础的中子成像设备。鉴于此，兰州大学核科学与技术学院开展了 Micromegas 探测器在快中子成像系统中的应用研究。对粒子跟踪系统要求新型的气体探测器。这类气体探测器特点为高的计数率、好的探测效率和强的抗辐射能力;同时，在端情况下物理研究也要求气体探测器具有很好的信噪比特性。另外，人们也希望在保留气体探测器(如 MWPC)的优越性基础上，改进技术和工艺，研发出满足实验要求的新型气体探测器。伴随着科技水平的进步以及微电子技术(micro 一 el
8、ectronicfabrieationteehniques)的进步，在 20 世纪 50 年代出现了一系列新型的气体探测器一一微模式气体探测器(MPGDMicroPattemGascousDetector)21 一 27，它们结构特点是漂移区和放大区相互隔离且放大区间隙在一 100pm 量级。这类探测器主要有:GEMs28，291、Mierodots30， 311、wELL32和 Micromegas 探测器【10等。与常规多丝室相比较，此类探测器有易于制成大灵敏面积、抑制离子回流 (ionbackflowreduction)和光子反馈 (PhotonFeedbaekReduction)以及抗
9、老化性能 (ageingproperties)33的优势，因而国际上诸多实验小组都在研发 MPGD 系列探测器，如直线对撞机(ILC)探测器上径迹室采用 GEM 探测器和 cERN 的 Compass 实验利用 Micromegas 探测器做粒子径迹测量。我们所研究的 Micromegas 探测器是利用厚度为 pm 量级的微网来将灵敏区分为不对称的两个区漂移区和放大区的一种平行板结构气体探测器10，如图 1.5 所示。Mieromegas 探测器的良好的工作性能关键取决于其微网的制作工艺和放大区的间距均匀性。为了研究和掌握 Micromegas 探测器的工作原理及它与后续电子学的匹配等问题，我
10、们依次建立灵敏面积为 50mmx50mm 和 100mmXloomm 的探测器模型，利用 55Fe 的 x 射线或宇宙射线对其进行了初步的性能测试，主要方面有:不同 Ar/CO:气体比例下坪曲线、能量分辨、时间分辨、位置分辨以及探测效率等工作性能;也测试了不同大小的漂移区电场强度对电子透过率的影响;还研究不同制作工艺的微网对 Micromegas 探测器的工作性能影响。在强源度不变的放射源照射下，测量计数率随工作电压的变化，第二章粒子探测器探测器的工作原理基于粒子与物质的相互作用。当粒子通过某种物质时，这种物质就吸收其一部或全部能量而产生电离或激发作用。本章首先描述粒子探测器发展史、种类及气体
11、探测器的工作原理;重点介绍了粒子探测器的主要性能及电子和离子在气体中的运动特性。2.1 粒子探测器发展史从 20 世纪 50 年代起，原子核物理发展到粒子物理，粒子物理实验研究需要粒子加速器及相关探测设备。加速器将微小带电粒子加速到非常高的能量，速度接近光速，然后打到靶上或彼此对撞，以研究物质深层次的结构。探测器用来探测碰撞产生的微小粒子，记录各种信息，如粒子径迹、衰变产物、飞行时间、粒子动量、能量、质量等。粒子探测器的发展史正是人类对物世界的认识不断深化和实验同理论不断相互促进的历史最初的探测器(如核乳胶、云雾室、火花室和气泡室等)是利用眼睛或照相机记录信息并且成功的运用到宇宙射线和低束流的
12、固定靶实验中。如 1919 年英籍新西兰物理学家卢瑟 福(EmestRutherford， 1871 一 1937)用荧光屏探测器第一次观察到用 a 粒子轰击氮产生氧和质子的人工核反应，由此核物理迅速发展起来。核物理和宇宙线的发展反过来又带动了各种探测器的发展。本世纪二十年代到六十年代出现了核乳胶35，云雾室，火花室，流光室等径迹探测器以及电离室，正比计数器与盖格计数管和闪烁计数器等电子学探测器。新粒子的发现往往借助于当时的新型探测器，例如1932 年和 1936 年用云雾室先后发现了正电子和林介子，1939 年用电离室发现核裂变现象，1954 年用气泡室发现护超子，1%1 年用火花室发现林中
13、微子等【36。值得提出的是以我国科学家为主于 20 世纪 50 年代利用气泡室发现了反艺超子37。粒子物理实验要求快速地记录愈来愈复杂的高事例率事例。由于径迹探测器记录事例速度慢且后处理需要大量人工，例如用云雾室记录一次需要几分钟，图 2.2 能量分辨率的定义。如果两个峰的间距大于他们的半高宽(FWHM)，就认为他们是可以被分辨。实线为两个典型的高斯峰计数总和。能量分辨与产生一个电子一空穴对所需的能量、入射粒子的能损电离的统计涨落等有关，还受探测器材料的反向漏电流、探测器输出极电容、温度、电子学噪声和反向偏压等因素的影响。入射粒子在一定条件下在某一探测介质中产生一对电子一离子对平均所需的能量，
14、与入射粒子种类和能量关系不大，是一个常数。这个常数叫平均电离能，用 w 表示。若粒子在介质中的能损为 E，则产生的电子一离子对数平均值 n 和其统计涨落标准偏差。2.2 粒子探测器分类粒子探测器主要用于粒子物理实验探知粒子的存在，测量和考察其性质。它是核物理、粒子物理研究及辐射应用中不可缺少的工具和手段。当粒子和探测器内的物质相互作用而产生某种信息(如电、光脉冲或材料结构的变化)，经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量、飞行时间、速度、质量等物理量。按照记录方式，粒子探测器大体上分为计数器(以电脉冲的形式记录、分析辐射产生的某种信息)和径迹室两大类(通过记录、分析辐射产生的径
15、迹图象测量核辐射)。粒子探测器若以粒子穿过的工作介质来区分，则有以气体为工作介质的成为气体探测器，如正比计数器、多丝正比室、漂移室、时间投影室、时间扩展室和气体切伦科夫计数器等。有以液体为探测介质如液体闪烁计数器、液氦时间投影室和气泡室等。有以固体为探测介质的如闪烁计数器、半导体探测器和原子核乳胶等。气体探测器有很多优点:技术上较成熟;变通性大(多个参数，如电场、磁场、气体种类、比例和压力、几何形状等对性能起作用);抗辐射能力强;输出的的信号幅度较大(气体的倍增作用);可从多方面获取信号，易于径迹重建等。伴随着科技发展，在保留气体探测器优越性的基础上改进结构与工艺，创作出了大量的新的满足实验要
16、求的气体探测器。2.3 粒子探测器的特性探测器是用来观察、记录粒子能量、位置以及时间等信息的装置，是核物理和粒子物理实验研究中不可缺少的设备。粒子物理实验中一个“理想的”探测器，它应具备以下良好性能:能覆盖整个(即 4:)立体角;能探测、显示粒子径迹和识别所有粒子(质量和电荷);能测量粒子的动能和能量;具有快响应能力和无任何死时间。但实际上，由于工艺、技术以及其工作原理，一个实际的探测器是很难做到如此完善和“理想的” 【381。2.3.1 灵敏性不同粒子有不同电离(和激发)强度与动量的关系曲线，绝大多数探测器都是根据这个原理制成作为探测器。因而一定类型的探测器只对某些种类的入射粒子灵敏，而对其他粒子不灵敏，或是随入射粒子种类的不同而给出信息的形式不同，这样就便于有选择地探测所需要的粒子
