采用四角读出的位置灵敏MicroMegas探测器研制

摘要

环形正负电子对撞机(CEPC)是由中国粒子物理学家们提出的新一代大型正负电子对撞机项目，其主要物理目标是在高亮度的正负电子对撞中对希格斯(Higgs)粒子以及其他标准模型粒子（比如Z玻色子）和过程进行精确测量，以及探寻超出标准模型的新物理现象。其中，基于Z玻色子的很多测量要求探测器谱仪具有好的强子鉴别（主要是κ与π的鉴别）能力。
　　环像契伦科夫探测器(RICH)因其具有动量响应范围宽的优点，在高能物理实验中作为强子鉴别探测器得到广泛应用，也成为CEPC实验上强子鉴别的重要技术选项。RICH通过探测契仑科夫光对强子进行鉴别，相应地，光探测器是RICH的关键部件。CEPC实验上的RICH(CEPC-RICH)对光探测器的要求为:极大的探测面积、单光子灵敏、较好的位置分辨和较高的计数率能力，研制满足以上要求的光探测器也成为CEPC-RICH研发的关键。微结构气体探测器有着高计数率能力、好的位置分辨、低的光子和离子反馈率、并能大面积制作，采用合适的结构并结合适当的光电转换层，可以成为CEPC-RICH的理想光探测器。本论文提出采用由MicroMegas和THGEM组合而成的混合型微结构气体探测器作为CEPC-RICH的光灵敏探测器，并在此技术路线下对CEPC-RICH开展了多项模拟和实验研究。
　　为实现小于1GeV/c到40GeV/c粒子鉴别，CEPC-RICH的初步设计方案考虑使用液（固）相RICH和气相RICH的混合结构。模拟工作针对气相RICH展开。通过GEANT4工具包对气相RICH进行了模拟研究，结果表明:气相RICH在合适的辐射体和足够好的光探测位置分辨（＜500μm）下可以区分动量高达40GeV/c的κ和π粒子，从而满足CEPC实验要求。在此基础上，针对MicroMegas和THGEM混合型光探测器方案，研究了一种采用四角读出的阻性MicroMegas探测器。采用热粘接工艺制作了MicroMegas的放大区部分，在制作过程中，通过应用水溶膜和激光切割新方法，提升了探测器放大区的均一性。成功把四角读出方式应用到MicroMegas探测器中:在MicroMegas读出阳极中的读出块四周添加低阻边界，从读出块四个顶点读出信号，通过比较四个顶点的信号幅度反推出雪崩发生的位置，从而在保持足够好的位置分辨的前提下极大减小了读出通道数。研究了阻性参数对四角读出方式固有枕形畸变的影响，得到了最优面电阻组合。为了做出符合要求的阻性阳极，实验以丝网印刷方式进行阻性阳极工艺研究，并最终集成到电路板上。测试结果表明，1cm×1cm颗粒度下探测器位置分辨约为250um，满足单光子探测的要求。进一步研究了电子学成形时间对位置分辨能力的影响，发现在10μs内，位置分辨随成形时间增加逐渐变好。
　　本论文研究的基于四角读出的MicroMegas探测器在保持同等位置分辨的前提下，读出通道数可以减小两个数量级，在CEPC-RICH大面积光探测的应用中具有极大优势。此外，这种MicroMegas探测器也可应用到μ子成像，时间投影室等领域。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 标准模型与CEPC构想

1．1．2 味物理

1．2 研究题目

1．3 本文结构

第二章 环像契伦科夫探测器及其关键技术

2．1 环形成像契伦科夫探测器

2．1．1 探测器简介

2．1．2 RICH在粒子物理实验中的应用

2．2 CEPC环形成像契伦科夫探测器初步考虑

2．2．1 液相环形成像契伦科夫探测器

2．2．2 气相环像契伦科夫探测器

2．2．3 采用MicroMegas的光敏探测器

2．2．4 GEANT4模拟验证

2．3 MicroMegas探测器简介

2．3．1 工作原理

2．3．2 制作工艺

2．4 本章小结

第三章 四角读出方法及其实现

3．1 四角读出方法

3．1．1 四角读出方法原理

3．1．2 枕形畸变现象

3．1．3 四角读出模拟

3．2 基于阻性浆料的阳极制作

3．2．1 丝网印刷

3．2．2 PET膜加工试验

3．3 本章小结

第四章 四角读出MicroMegas探测器制作

4．1 探测器的设计

4．1．1 读出阳极印刷电路板设计

4．1．2 气室机械框设计

4．1．3 高压屏蔽结构设计

4．2 热粘接工艺优化

4．3 探测器组装

4．4 本章小结

第五章 四角读出MicroMegas探测器的测试

5．1 测试系统

5．1．1 基于示波器的测试系统

5．1．2 AGET电子学测试系统

5．2 测试方法

5．2．1 电子透过率及增益

5．2．2 位置分辨和能量分辨

5．3 测试结果

5．3．1 电子透过率

5．3．2 增益测试

5．3．3 位置分辨

5．3．4 能量分辨

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢