1、密闭式密闭式GEMGEM中子探测器的研究中子探测器的研究李科李科1,2)1,2)，周健荣，周健荣2)2)，周良，周良2)2)，孙志嘉，孙志嘉2)2)，胡碧涛，胡碧涛1)1)，陈元柏，陈元柏2 2）1)1)兰州大学兰州大学2)2)中国散裂中子源中国散裂中子源(CSNS)(CSNS)2)2)高能物理研究所高能物理研究所第五届全国微结构气体探测器会议，兰州，第五届全国微结构气体探测器会议，兰州，20152015目录1.1.研究背景研究背景2.2.中子探测的特殊性中子探测的特殊性3.3.密闭式探测器的整体设计密闭式探测器的整体设计4.4.关键部件的研究关键部件的研究5.5.关键技术的研究关键技术的研究
2、6.6.总结总结2LS2GE1/1CMS GEM ProjectCMS GEM ProjectGEM upgrade of the GEM upgrade of the ALICE TPCALICE TPC研究现状：研究现状：1.1.带电粒子或光子探测：带电粒子或光子探测：大面积、大大面积、大型谱仪径迹探测器型谱仪径迹探测器2.2.中子探测：中子探测：小面积小面积(0.2m(0.2m*0.2m)0.2m)、高、高通量、高精度探测器通量、高精度探测器3.3.工作模式：工作模式：流气式，大面积探测器流气式，大面积探测器内部放内部放气物质种类多，难以除气，气物质种类多，难以除气，难以实现密闭探测器难
3、以实现密闭探测器Heidelberg Heidelberg University University KEKKEK GEMGEM探测器国际发展与现状探测器国际发展与现状31.研究背景流气式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：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50mm50mm50mm50mm密闭探测器研究目标：密闭探测器研究目标：两种探测器：计数型和位置灵敏型
4、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实现小型化、系统集成，关键技术全部国产化4性能参数性能参数 设计指标设计指标有效面积有效面积50mm*50mm热中子注量率热中子注量率109n/cm2.s 位置分辨率位置分辨率3mm(FWHM)TOF时间分辨率时间分辨率1MHz工作模式工作模式实时监测1.研究背景:CSNS CSNS 涂硼涂硼GEMGEM中子探测器研究现状中子探测器研究现状2.中子探测的特殊性GEMAr/CO2 涂硼漂移电极涂硼漂移电极漂移区漂移区感应区感应区5中子的特殊性：中子的特殊性：1.1.电中性电中
5、性 ，穿透力强，轻元素敏感，穿透力强，轻元素敏感2.2.非单能非单能(能谱能谱)，探测效率随能量变化，探测效率随能量变化3.3.伴随较强伴随较强 射线及高能快中子射线及高能快中子4.4.能活化大部分物质，产生次级粒子能活化大部分物质，产生次级粒子Neutron beam monitor3.密闭式探测器的整体设计IHEP-nTHGEMAr/CO2(90/10)2mm4 mm a or 7Li3kV/cm1 kV/cm IHEP-BUAA涂硼漂移电极涂硼漂移电极单路计数单路计数或者二维读出或者二维读出漂移区漂移区感应区感应区探测器结构：探测器结构：系统布局：系统布局：高压高压前端电子学前端电子学探
6、测器探测器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：关键技术：密封和密封和OutgassingOutgassing探测器部件材料选择探测器部件材料选择陶瓷陶瓷nTHGEMnTHGEM研制研制(谢宇广谢宇广)CopperCeramicsDrilling Au7有效面有效面积积：50mm50mm，100mm100mm，200mm200mm单位GEM 膜绝缘介质绝缘介质孔直径d(m)孔心间距p(m)
7、铜厚(m)膜总厚(m)敷铜率敷铜率IHEPnTHGEM 陶瓷陶瓷 2006002020090%4.关键部件的研究55Fe_X55Fe_X射线射线(5.9keV)(5.9keV)测试测试铜靶铜靶X X光机光机(8keV)(8keV)测试测试出气出气探测器探测器进气进气X光管光管nTHGEMAr/CO2(90/10)Di=2 mmDd=4 mmxEiEd CathodePreamplifier+MCA HV-inGNDR1 R2 R310M10M10MActive area 50mm*50mm84.关键部件的研究陶瓷陶瓷nTHGEMnTHGEM的测试的测试计数率稳定性涨落计数率稳定性涨落16%16
8、%252Cf252Cf中子源测试中子源测试计数率坪曲线，合适选取工作电压计数率坪曲线，合适选取工作电压E E字成像字成像9计数率稳定性测试计数率稳定性测试4.关键部件的研究有效面积50*50mm64 路:32 ch(x)+32ch(y)条周期:1.56mm条连接方式：三角块连接换用柔性换用柔性KaptonKapton材料：材料：uPCB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u耐200 以上的高温，可烘烤，放气少，耐老化、耐辐照信号信号读出柔性电路板读出柔性电路板Geant4104.关键部件的研究FPGA读出条读出条前放前放+成形成形 符合电路符合电路 甄别器甄别
9、器击中事例击中事例 (x,y,t)DAC 64路路(x、y方向方向)USB读出读出 电脑电脑&数据获取数据获取ASIC探测器探测器A111前端电子学前端电子学TTL输出输出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：AMPTEK A111，单路前放耦合甄别器芯片，直接输出TTL信号电子学小型化、集成化电子学小型化、集成化封装后高压电源尺寸：封装后高压电源尺寸：110 110*74.674.6*40 mm40 mm优势：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高压电源前移至近探测器端，
10、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，小型化及集成化专用化，小型化及集成化输入电压输入电压输出电压输出电压控制电压控制电压高压纹波高压纹波参数12V0-3000V0-5V20mV124.关键部件的研究高压电源性能参数：高压电源性能参数：高压高压电源前端集成电源前端集成低压控制低压控制3 3路高压路高压输出输出电压监测电压监测电流监测电流监测12V12V输入输入ISEGISEG高高压模块压模块12V低压输入，经高压
11、模块升压转换，由电阻链分配输出3路负高压复合材料刀复合材料刀口法兰口法兰焊接焊接处处 实验用密闭腔体的机械设计实验用密闭腔体的机械设计、密封的螺栓分布与预紧力、密封的螺栓分布与预紧力的计算的计算 铝与不锈钢焊接铝与不锈钢焊接：钎焊钎焊料过料过渡、铝和不锈钢复合板过渡渡、铝和不锈钢复合板过渡、镍层过渡、镍层过渡 显示铝与不锈钢焊接漏率：显示铝与不锈钢焊接漏率：1 11010-11-11 mbar.l/smbar.l/s微弧氧化的铝腔体微弧氧化的铝腔体未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，方便后锈钢焊接，保证泄漏率较小
12、，方便后续试验测量，为以后续试验测量，为以后feedthroughfeedthrough接头接头焊接提供经验焊接提供经验135.关键技术的研究腔体设计与焊接腔体设计与焊接腔体密封圈选择腔体密封圈选择5.关键技术的研究选用弹簧金属密封圈，漏率为选用弹簧金属密封圈，漏率为1 11010-11-11 mbar.l/smbar.l/s，且具有一定的回弹性（，且具有一定的回弹性（0.8mm0.8mm），），减少烘烤后冷却带来的密封问题减少烘烤后冷却带来的密封问题密封类型密封类型加工尺寸加工尺寸限制限制潜在的密封潜在的密封能力能力（mbar.lmbar.l/s)/s)工作温度工作温度范围（范围（）需要的需
13、要的密封载密封载荷荷(N/mm)(N/mm)优点优点缺点缺点铜垫片铜垫片300mm300mm(maxi(maxi dia.)dia.)1 1*10-1010-10+400+400-269-269350350价格低；耐辐价格低；耐辐照；高寿命照；高寿命有限尺寸；有限尺寸；法兰与密封圈法兰与密封圈需要很好的表需要很好的表面，一般用于面，一般用于刀口密封；重刀口密封；重复密封次数少复密封次数少铝制带铝制带刀口密刀口密封圈封圈1000mm(m1000mm(maxi dia.)axi dia.)1 1*10-910-9+80+80120120低密封载荷；低密封载荷；批量生产价格批量生产价格比较便宜比较便
14、宜烘烤温度不高；烘烤温度不高；不能够用于低不能够用于低温环境；不能温环境；不能够重复使用；够重复使用；加工不容易加工不容易橡胶密橡胶密封圈封圈没有没有1 1*10-710-7+200+200-40-402020价格低；低密价格低；低密封载荷；可以封载荷；可以重复使用；适重复使用；适用任何形状用任何形状有限的性能；有限的性能；有限的烘烤温有限的烘烤温度；对辐照敏度；对辐照敏感；有限的寿感；有限的寿命命螺旋弹螺旋弹簧密封簧密封圈圈2000mm(m2000mm(maxi dia.)axi dia.)1 1*10-1010-10+300+300（Aluminum)Aluminum)120120低密封载
15、低密封载荷；烘烤荷；烘烤温度高；温度高；耐辐照；耐辐照；可以做成可以做成非环状；非环状；价格高；价格高；不能够不能够重复使重复使用用+450+450(Copper(Copper lining)lining)150150-269-269145.关键技术的研究铝腔体表面处理铝腔体表面处理微弧氧化微弧氧化项目项目真空镀氮化钛真空镀氮化钛膜膜氧化铝膜氧化铝膜微弧氧化微弧氧化阳极氧化硬质阳极氧化磁控溅射最大厚度（微米）13003004050-801吸附氢气、水等能力强强强弱较强弱抗热冲击高温下容易脱落可承受可承受25002500以以下的热冲击下的热冲击差差差均匀性内外不均匀内外均匀，基本内外均匀，基本是
16、晶体相是晶体相产生“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在密闭腔体表面生长出5050微米氧化铝陶瓷晶体薄膜，减微米氧化铝陶瓷晶体薄膜，减少腔体内部的气体释放少腔体内部的气体释放155.关键技术的研究微弧氧化前后的实验对比微弧氧化前后的实验对比实验腔体整体测试实验腔体整体测试：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、化、150150高温高温7272小时烘烤，并抽到小
17、时烘烤，并抽到1010-7-7 PaPa，杂质气体生成率为，杂质气体生成率为1010-14-14 mbar.l/mbar.l/（s.s.cmcm2 2)，即，即一年内产生的杂质气体比例为一年内产生的杂质气体比例为0.10.1H H2 2：3.83 3.83 1010-12-12 H H2 2O O：5.85 5.85 1010-13-13 COCO：3.90 3.90 1010-13-13 COCO2 2：3.90 3.90 1010-13-13 H H2 2：2.46 2.46 1010-12-12 H H2 2O O：4.17 4.17 1010-14-14 COCO：3.82 3.82
18、1010-14-14 COCO2 2：2.12 2.12 1010-14-14 未氧化未氧化微弧氧化后微弧氧化后 出气率测试对比：出气率测试对比：未氧化：3.4510-14 mbar.l/(s.cm2)微弧氧化：3.1110-14 mbar.l/(s.cm2)残余气体组分对比：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。微弧氧微弧氧化后氢气含量是没有氧化的化后氢气含量是没有氧化的64%64%，水、一氧化碳、二氧化碳降了一个数量级，水、一氧化碳、二氧化碳降了一个数量级16烘烤箱超声波清洗超声波清洗洁净室组装洁净室组装烘烤状态下充烘烤状态下充气气抽真空抽真空多次循环多次循环175.关键技术的研究探测器组装和充气处理探测器组装和充气处理技术指标：技术指标：充气压力充气压力:0-10 bar充气气体充气气体:Ar,CO2（比例可调）（比例可调）真空度真空度:10-4 Pa烘烤温度烘烤温度:300总结 完成了关键部件的测试完成了关键部件的测试 完成了密闭式腔体的研究设计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）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研究充气处理工艺和探测器长期稳定性问题18
