氣體探測器發(fā)展

氣體探測器發(fā)展第1頁/共44頁2

空間絲上帶電粒子的徑跡坐標就由絲上雪崩在感應片上感應信號的重心所決定。（100m）漂移時間給出z向的位置。（300m）兩者結(jié)合，給出帶電粒子的三維坐標。第2頁/共44頁3二、PEP-4的高壓TPC

圓柱半徑1m，長2m。圓柱中央有一加負高壓（-150kV）的電極將圓柱分為左右對稱的兩半。圓柱的兩端面是柵絲平面、陽極絲平面（包括靈敏絲和場絲）和陰極感應平面。磁場B=1.5T，與電場平行，測動量，減小漂移電子的橫向擴散。

每個端面分6個扇區(qū)，每個扇區(qū)有183根靈敏絲，彼此平行且與半徑方向垂直，絲距4mm。其中15根絲彼此距離相等，下面有7.5x7.5mm的感應片。靈敏絲直徑為20m，柵絲和場絲76m第3頁/共44頁4Ar（80%）+CH4（20%）。PEP-4的TPC側(cè)重于粒子鑒別，故充以高氣壓（8.5個大氣壓），有利于dE/dX的測量。

dE/dX的能量分辨3%空間分辨其中，L為漂移距離，LM=1m為最大漂移距離；

為帶電粒子徑跡與靈敏絲平面垂直方向的夾角；為電子的俘獲率；A

為電子學等效應引起的本征空間分辨率；B、C

分別為L、函數(shù)項的系數(shù)當L=0，=0時，xy=160m

最小值Z向空間分辨為z=340m

第4頁/共44頁51個大氣壓Ar（80%）+CH4（20%）。圓柱長2.66m。圓柱中央有一加負高壓（-20kV）的電極將圓柱分為左右對稱的兩半。與電場平行磁場B=1.2T每個端面分6個扇區(qū)，每個扇區(qū)有192根靈敏絲，陰極板有16圈感應片，每圈相距4.5cm。每片面積為52.5mm2，每圈的片數(shù)從16到144片不等，但為16的倍數(shù)。寬度不同三、DELPHI的常壓TPC

第5頁/共44頁6L=4.2m,D=4m內(nèi)外扇區(qū)陰極片尺寸不一樣

四、STAR上的TPC

第6頁/共44頁760cm190cmOutersector6.2×19.5mmpads3940padsInnersector2.85×11.5mmpads1750pads24sectors (12onaside)LargepadsgooddE/dxresolutionintheOutersectorSmallpadsforgoodtwotrackresolutionintheinnersector70MillionsreadoutChannelsOuterandInnerSectorsofthePadPlane第7頁/共44頁84mmanodegatedgridV=150V0V

增加“門”絲

以減小高計數(shù)率下的空間電荷效應，加快正離子收集

由與在TPC中心發(fā)生對撞時間有關的外加脈沖觸發(fā)第8頁/共44頁9用于重離子固定靶實驗。

規(guī)模較??；由于重離子碰撞中產(chǎn)生的很高的粒子徑跡密度，因此側(cè)重點在雙徑跡分辨及次級頂點的重建。密布的短絲（NA36，BNL810，無感應條讀出）將陰極感應條平面分成大量的感應片（NA35，HISS，無信號絲讀出）

e+e-對撞機的實驗中的TPC有好的動量分辨及粒子鑒別，雙徑跡分辨較差；重離子實驗中的TPC有好的雙徑跡分辨，一般也有好的動量分辨，但粒子鑒別能力較差五、其它氣體TPC第9頁/共44頁10用液體代替氣體作為帶電粒子的探測介質(zhì)有許多優(yōu)點。

氣泡室、液氬電磁量能器液體TPC具有良好的能量與空間分辨，像氣泡室一樣，能給出電離徑跡的三維成像。特別適合高精度、大質(zhì)量的應用與尋找稀有事例的實驗中，例如太陽中微子、質(zhì)子衰變及雙衰變等。常用液氬(LAr)六、液體TPC第10頁/共44頁11屏蔽柵(Y)感應平面(Y)由靈敏絲（2根一組，相距0.6mm）、屏蔽絲構(gòu)成收集平面(X)給出另一維坐標屏蔽柵的存在，使得在漂移電子未穿過柵絲之前，不會在靈敏絲上產(chǎn)生感應信號。屏蔽柵平面對漂移電子100%透明的條件

E2/E1>1.4E3/E1>3電場線將在感應平面的靈敏絲之間通過而到達收集平面的靈敏絲第11頁/共44頁12三維成像

每個事例2個二維平面成像：

漂移時間-感應絲、漂移時間-收集絲被取樣采集的電荷值表示為像素的黑度，越黑表示電荷值越高第12頁/共44頁13宇宙線引起的簇射在收集面的成像包含電磁簇射和強子簇射小黑點由1MeV的光子形成第13頁/共44頁14氣體探測器的新發(fā)展第14頁/共44頁15多漂移單元模塊MDM

頂點探測器位于最內(nèi)部，維修難。不僅要求定位精度高和計數(shù)率限高，還要求高可靠性、抗輻射性能強。MDM(MultidriftModule)一、結(jié)構(gòu)

單元：半徑1.5mm1+6；31m的不銹鋼絲性能最好模塊：70個單元包在30mm的六角形碳纖維管內(nèi)。管子作為機械支撐、氣體密封。每根徑跡30次取樣第15頁/共44頁16二、性能M=106空間分辨率：65m雙徑跡分辨500-1000m縱向（沿絲）分辨率0.9%絲長計數(shù)率限106m－2s－1

抗輻照性能好：0.5-1.0A/cm，比通常的MWPC好20倍單元死時間30-40ns第16頁/共44頁17一、結(jié)構(gòu)由4-6mm的圓柱形連續(xù)陰極面代替幾根陰極絲限定的小單元。陰極是鋁化的Mylar或Lexan膜，厚度30m，并不引進更多的散射和吸收當絲斷裂時可以起到很好的隔離作用，也可較好地消除噪聲長度可達幾米，需中間加支撐。

稻草管室STCSTC(StrawTubeChamber)第17頁/共44頁18二、性能空間分辨率：100m雙徑跡分辨：~4mm，由管徑?jīng)Q定單元死時間：~40ns機械性能好，不怕斷絲進一步減小管子的直徑、增加長度是對制作工藝的挑戰(zhàn)。第18頁/共44頁19MWPC和漂移室是具有代表性的氣體探測器。不僅在粒子物理實驗中得到廣泛的應用，且在X射線晶體學、生物醫(yī)學和天體物理等領域發(fā)揮重要作用。MWPC的局限性：垂直陽極絲方向，空間分辨率有絲距（2mm）決定。由于正離子收集時間長，計數(shù)率受到限制。

解決方法：減小絲距:改進空間分辨率，減小每根絲承受的粒子通量。減小陽極和陰極間的氣隙：縮短離子收集時間，減小空間電荷效應但這兩種方法都會減小輸出幅度（M、電離數(shù)），機械加工精度的限制（S<1mm,L<2mm）時，絲室工作不穩(wěn)定漂移室以其大單元、高分辨及結(jié)構(gòu)和制作相對簡單得到更廣泛的應用。但不能工作在高計數(shù)率下，多徑跡分辨差第19頁/共44頁20近年來，各種高強度，高能量的加速器的建造給探測器也提出了新的更高的要求。極快的時間響應。強子對撞機LHC的對撞間隔是25ns,HERA-B的時間間隔是96ns，所以，探測器的時間響應不能大于100ns。高精度，在高計數(shù)的前提下要有≤50m的帶電粒子的徑跡分辨。因為所測量的粒子是最小電離粒子，探測器還必須有高增益才能有較高的探測效率。近期出現(xiàn)的幾種新型氣體位置靈敏探測器。從技術上講，這些新的探測器大都建立在現(xiàn)代先進的微電子技術、光刻技術、多層板技術的基礎之上。各種類型的無絲位置靈敏探測器的發(fā)展，使氣體探測器的技術進入一個嶄新蓬勃發(fā)展的新時期。第20頁/共44頁21微條氣體室MSGCMSGC(MicroStripGasChamber)一、結(jié)構(gòu)和工作原理

在絕緣或半絕緣基質(zhì)板上通過蝕刻而成的兩組細金屬條:

陽極條（5-10m），電場條（50-100m）產(chǎn)生雪崩倍增的陽極和陰極之間的距離大大縮短第21頁/共44頁22二、性能

空間分辨:30m，雙徑跡分辨400m。能量分辨11%（55Fe）時間響應上升時間35ns,下降時間也只有～60ns

高計數(shù)率限106mm－2s－1

由于MSGC好的能量、位置分辨，快的時間響應和快的計數(shù)率能力，而得到人們廣泛的關注。CMS采用其作為內(nèi)層的徑跡探測器。

M~103

放大倍數(shù)穩(wěn)定性不好

主要原因是在墊板上的電荷堆積和放電問題。在氣體，電極的材料，墊板的材料和表面處理等方面找到了比較好的解決方案。電極易老化，影響壽命第22頁/共44頁23氣體電子倍增器GEMGEM(GasElectronMultiplier)一、結(jié)構(gòu)和工作原理

GEM是用很薄的兩面都是附有極薄的銅箔的有機聚合薄箔制成；在有機聚合薄箔上用光刻技術打有高密度的小孔電子由上面轉(zhuǎn)換區(qū)飄進小孔，放大后，繼續(xù)飄進過渡區(qū)到達下面的電極進行收集第23頁/共44頁24二、性能

空間分辨:40m

時間響應

信號純粹由電子產(chǎn)生，無離子尾巴，速度很快GEM的放大倍數(shù)與孔的大小，膜的厚度有關，當然是電壓的函數(shù)。當選取優(yōu)化的參數(shù)在Ar-CO2(70:30)的氣體中，放大倍數(shù)可達104

幾個倍增結(jié)構(gòu)級聯(lián)使用必須對每個GEM上的電壓，漂移極的電壓，工作氣體等各種因素進行優(yōu)化。

GEM+MSGC兩級GEM第24頁/共44頁25三、應用粒子物理實驗

COMPASS雙GEM

X成像，醫(yī)療診斷第25頁/共44頁26微網(wǎng)平面氣體探測器MicromegasMicromegas(MicroMeshGaseousStructure)一、結(jié)構(gòu)和工作原理用很薄很細的金屬網(wǎng)代替陰極絲平面，用刻有微條的板作為陽極平面，兩平面之間的間隔小于100m。這一小間隙可以用耐壓好的石英絲或尼龍絲做墊片來保證。第26頁/共44頁27二、性能

空間分辨:60m

時間響應

與放大間隙有關，當雪崩間隙由100m下降到50m時，信號的上升時間會減少2倍，當間隙為50m時，30ns的時間可以收集到整個信號高計數(shù)率限109mm－2s－1

，基本無飽和現(xiàn)象

M~3x105（Ar+C2H6+CF4）在探測器的均勻性，工作穩(wěn)定性和長時間的可靠的實驗中，均沒有發(fā)現(xiàn)異常問題。微網(wǎng)平面氣體探測器（Micromegas）不僅可以做高能物理實驗的徑跡探測器，還有可能做頂點探測器，同時可以應用在其它高計數(shù)率的領域。第27頁/共44頁28微隙室MGCMGC(MicroGapChamber)一、結(jié)構(gòu)和工作原理

Al膜（陰極）+絕緣條

+Al膜（陽極）

絕緣條的厚度（2m）決定了陽極－陰極間的距離，也決定了電場。氣體的放大與陽極的間隙無關二、性能

收集正離子的速度僅為10ns，這個速度幾乎與固體探測器一樣

高計數(shù)率限5x106mm－2s－1

增益比MSGC高一個量級

二維讀出好，陰陽極幾乎一樣第28頁/共44頁29微槽氣體探測器MGD一、結(jié)構(gòu)和工作原理

基于PCB制作技術在兩面都有鍍金銅箔的Kapton膜刻上微槽而制成。上、下兩層的金屬微條分別是微槽的陰陽兩極，其氣體放大是在Kapton膜的微槽內(nèi)。

微槽厚50m，鍍金銅箔厚5m，陽極寬30-40m。第29頁/共44頁30二、性能陽極，陰極同時得到大小幾乎一樣的信號，只是極性不一樣，有利于二維讀出M=1.5×104

，增益的均勻性受kapton膜的厚度均勻性的影響。沿著槽方向的在5％以內(nèi)，而垂直于槽的方向為10％左右。

短期穩(wěn)定性：在高增益的情況下，當計數(shù)率較高時，開始工作的幾十秒內(nèi)會出現(xiàn)氣體增益的下降，而且下降較快，在以后時間里則下降緩慢。與MSGC相類似，由于電荷堆積等效應而導致電場發(fā)生變化。MGD恢復快。高計數(shù)率限：106mm-2s-1能量分辨22%

由于漂移電場會影響電荷的收集，所以也會影響能量分辨。

最快的信號是MGC，其次是MSGC，而最慢的是MGD的信號。長期穩(wěn)定性好MGD可以看成是一種改進型的微間隙探測器MGC。兩電極的間隙增加到50m，從而導致有較大的氣體放大倍數(shù)。陽極的尺寸也增大了不少，電極的橫截面增大約50倍，從而使探測器堅固，耐用。MGD探測器除時間響應稍差之外，保持了像MSGC或MGC的優(yōu)點:單一的氣隙，單極的放大，簡單的結(jié)構(gòu)，簡單的電壓供給，高的收集效率等，而且還有自己獨特的優(yōu)勢，例如很好的二維讀出，較大的規(guī)模，牢靠，堅固，工藝較簡單（不需專門的微電子技術）等。第30頁/共44頁31大面積氣體室

隨著高能粒子物理實驗的發(fā)展，粒子的能動量越來越大，對帶電粒子動量測量的分辨率要求也越來越高。除了提高磁場強度外，需要粒子的測量長度也越長，探測器的體積越來越龐大。外層的探測器面積達到104m2，這就需要建造既廉價又可靠的大面積探測器。第31頁/共44頁32蜂巢室HSCHSC(HoneycombStripChamber)一、結(jié)構(gòu)

室體由聚碳酸酯箔組成。在箔上蝕刻得到銅條，兩張折疊的條帶狀箔可形成六角形的“蜂巢”狀單元。這些單元疊在一起就形成堅挺的蜂巢室。單元中央有一根陽極絲，與陰極條垂直。二、性能較高的空間定位精度沿絲方向65m（3根陰極條感應信號）垂直絲方向150-200m（漂移時間）

造價比漂移室便宜第32頁/共44頁33陰極條讀出的MWPC感應電荷重心法定位置

固有位置分辨取決于信噪比和陰極條信號讀出寬度。低噪聲電荷靈敏放大器可達到Q/Q≈1%空間分辨~100m可實現(xiàn)二維讀出。

陰極條室CSCCSC(CathodeStripChamber)漂移室不適于端蓋，特別是前向區(qū)（布絲困難、高計數(shù)率）。

CSC既有MWPC的高計數(shù)率能力，又有較好的空間分辨。第33頁/共44頁34平行板室PPCPPC(ParallelPlateChamber)一、結(jié)構(gòu)和工作原理

由兩個平行的平面電極組成的單間隙氣體探測器。薄的金屬電極粘貼到平直的玻璃板上。電極的內(nèi)表面及分割電極形成間隙的墊片的平整度均<5m

間隙為1-2mm，電極尺寸一般為60x60mm2。工作在雪崩模式。整個氣體體積內(nèi)具有高的均勻電場，任何一點都能立即發(fā)生雪崩倍增。

第34頁/共44頁35二、性能時間響應

不同地點產(chǎn)生的原初電子幾乎同時雪崩，因此時間晃動極小。上升時間~1ns，脈沖寬度~5ns

高計數(shù)率限>106mm－2s－1

因氣體放大倍數(shù)與電離產(chǎn)生的位置有關，離陽極越遠則越高，但總輸出信號與帶電粒子的總能量沉積仍近似有正比關系。能量分辨一般。

M~5x104

探測效率90%（小氣隙）適合高粒子通量、要求能快速響應和適中的能量分辨處，如對撞點的小角度區(qū)。CMS的veryforward區(qū)量能器采用PPC。第35頁/共44頁36阻性板室RPCRPC(ResistivePlateChamber)一、結(jié)構(gòu)和工作原理由兩塊平行的阻性板（1010-1012cm）組成阻性板材料一般為玻璃或電木板，內(nèi)表面覆亞麻油或脒胺膜。氣隙2mm

當帶電粒子在工作氣體內(nèi)雪崩放電時，阻性板的高阻產(chǎn)生瞬時的電壓降，電場急劇下降，使放電猝滅。使雪崩放電限制在幾mm2的范圍，其余部分仍處于工作狀態(tài)。信號由感應條或感應片讀出?？啥S讀出第36頁/共44頁37二、MRPC小氣隙，時間快，探測效率低；

大氣隙，信號小，時間慢

多隙RPC（MRPC）粒子在各間隙獨立雪崩，信號等于各雪崩效應“瞬時”疊加。信號快、探測效率高工作模式：

SQS模式：信號大；恢復慢，低計數(shù)率100cm－2s－1

雪崩模式：適合相對高技術率；信號小，時間特性差第37頁/共44頁38效率,時間分辨與高壓的關系效率,暗電流與高壓的關系效率,時間分辨與計數(shù)率的關系時間晃動與高壓的關系第38頁/共44頁39三、性能