CN106024552B - 用于大面积gem探测器安装制作的滑动式自张紧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大面积GEM探测器安装制作的滑动式自张紧方法，包括GEM薄膜固定的方法和给GEM薄膜施加张力的方法；采用两类垫条将漂移电极和GEM薄膜的四个边缘分别固定住，其中第一类垫条位于所述漂移电极和GEM薄膜边缘的中间部位，第二类垫条位于所述漂移电极和GEM薄膜边缘的两端靠近角部的位置；两类垫条外侧固定有滑块，滑块的外侧设有螺孔，主框架上设有卡槽，滑块的外侧设有螺孔的部位卡入卡槽中定位，卡槽的壁上设有通孔，用螺栓穿过通孔旋入螺孔中进行拉紧。完全继承了自张紧方法所有优点，并克服自张紧方法在制作米级以上的GEM探测器时存在的问题，具有较强的设计灵活性，可以应用各种形状，各种尺寸的大面积GEM探测器制作。

Description

用于大面积GEM探测器安装制作的滑动式自张紧方法

技术领域

本发明涉及一种制作大面积GEM探测器的方法，尤其涉及一种用于大面积GEM探测器安装制作的滑动式自张紧方法。

本发明中缩略语和关键术语定义：

MPGD：Micro-Pattern Gaseous Detector，微结构气体探测器；

GEM：Gas Electron Multiplier，气体电子倍增器；

NS2：No-Stretch No-Spacer自张紧方法。

背景技术

在大型核与粒子物理实验中，丝室和阻性板室等气体探测器已经得到了广泛的应用。但随着核与粒子物理实验的发展，对探测器的计数率能力以及位置分辨能力的要求越来越高，这些传统的气体探测器已经无法完全满足实验要求。借鉴于半导体探测器上的精细加工技术(微刻蚀技术，几十微米尺度量级)，许多新型的微结构气体探测器(MPGD)被研发出来以满足新的实验需求，这些探测器不仅位置分辨高，计数率能力高，工作稳定，抗辐射能力强，很容易加工成各种形状，而且造价低廉，很适合大面积的径迹探测与辐射成像应用。MPGD的代表之一是称之为电子倍增器的GEM探测器，该探测器除了在核与粒子物理实验中主要应用于高计数率环境下的径迹测量和触发之外，在其他很多领域也有广阔的应用前景，例如正电子发射断层扫描，同步辐射装置上的衍射实验，热中子成像，X射线成像，μ子成像等。

现有技术中，制作大面积GEM探测器的方法主要有两种：

第一种称为粘胶法，是通过使用环氧树脂胶将张紧的GEM薄膜粘合在框架上的方法,目前，美国杰弗逊实验室(Jefferson Lab)的实验组正在使用这种方法建造有效面积为面积40cm×50cm的GEM探测器用于带电粒子的径迹测量；

第二种方法称为自张紧(NS2)方法，这种方法是把一个结实的外框先固定在漂移电极的基座板上，然后通过旋紧侧向螺栓来对GEM膜施加张力，达到绷紧的目的。由于螺栓始终能对薄膜施加足够的张力，薄膜内部不再需要框架支撑。目前，欧洲核子中心正在使用NS2技术批量生产有效面积为990mm×(220mm—455mm)的梯形GEM探测器用于μ子的触发。

现有技术一：

粘胶法建造大面积GEM探测器的过程大致分为三个步骤：1)使用一个带张力测量的夹具把GEM薄膜固定并通过夹具的移动对GEM薄膜施加预定的张力使之张紧，然后将框架粘到张紧的GEM薄膜上。2)重复以上过程直至把所有GEM薄膜都张紧粘牢在框架上。3)最后把探测器的漂移电极，带框架GEM膜，以及读出电极粘到一起组成完整的探测器。

现有技术一的缺点：

粘胶法很好的解决了大面积GEM薄膜如何张紧与支撑的问题，但是在将绷紧的GEM薄膜粘到框架上后，需要等待非常长的时间来使粘合剂彻底干燥，导致探测器的建造时间非常长。此外，一旦探测器建造完成，就成为一个不可拆分的整体，如果在使用过程中某个部件出现问题，无法置换出现问题的部件，整个探测器都只能报废，造成很大的浪费。最后，由于支架的存在，不仅会造成探测器的工作区域内存在死区，而且在一定程度上影响工作气体的流动，对高计数率环境下的应用有一定的影响。

现有技术二：

如图1所示，自张紧方法制作大面积GEM探测器主要分为三个步骤：1)把三张膜用垫条固定起来，4个边的垫条互不相连，可以移动，垫条内部内嵌有螺母。2)将一个结实的外框固定在探测器底板上，然后用穿过外框的螺栓与垫条中的螺母相连，旋转螺栓将膜朝外框拉紧。3)装上读出电极，完成整个探测器的安装。由于螺栓始终能对薄膜施加足够的张力，薄膜内部不再需要支撑框架支撑。此外，自张紧方法制作的大面积GEM探测器可以反复快速拆卸，并且探测器的任何部分都可以置换，很好的避免了粘胶法的几个缺点。

现有技术二的缺点：

自张紧方法在制作尺寸在米级以下的探测器时显示出强大的优越性。但是当探测器尺寸超过1米以后，开始出现几个明显的问题：1)膜的受到的张力开始变得不均匀，膜的边缘部分容易出现皱褶。2)边框上用于让螺栓通过的侧孔的漏气开始变得严重，探测器的气密性变差。3)以上两种问题都会随着尺寸的进一步增大而变得越发明显，当探测器增大到一定程度(视螺栓规格，边框厚度以及探测器具体设计而定)时甚至会出现螺栓被边框卡死而无法将膜张紧的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于大面积GEM探测器安装制作的滑动式自张紧方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的用于大面积GEM探测器安装制作的滑动式自张紧方法，包括GEM薄膜固定的方法和给GEM薄膜施加张力的方法；

所述GEM薄膜固定的方法包括：

采用两类垫条将漂移电极和GEM薄膜的四个边缘分别固定住，其中第一类垫条位于所述漂移电极和GEM薄膜边缘的中间部位，第二类垫条位于所述漂移电极和GEM薄膜边缘的两端靠近角部的位置；

所述给GEM薄膜施加张力的方法包括：

固定于两类垫条外侧的滑块和带卡槽的主框架，所述滑块的外侧设有螺孔，所述主框架上设有卡槽，所述滑块的外侧设有螺孔的部位卡入所述卡槽中定位，所述卡槽的壁上设有通孔，用螺栓穿过通孔旋入螺孔中进行拉紧。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于大面积GEM探测器安装制作的滑动式自张紧方法，完全继承了自张紧方法所有优点，并克服自张紧方法在制作米级以上的GEM探测器时存在的问题，具有较强的设计灵活性，可以应用各种形状，各种尺寸的大面积GEM探测器制作。

附图说明

图1为现有技术中自张紧技术建造大面积GEM探测器的原理示意图；

图2a、图2b分别为本发明实施例中气窗区第一类垫条正面和背面的结构示意图；

图3为本发明实施例中漂移区第一类垫条的结构示意图；

图4为本发明实施例中传输区第一类垫条的结构示意图；

图5a、图5b分别为本发明实施例中引导区第一类垫条正面和背面的结构示意图；

图6a、图6b、图6c、图6d分别为本发明实施例中气窗区第二类垫条、漂移区第二类垫条、传输区第二类垫条、引导区第二类垫条的结构示意图；

图7a、图7b分别为本发明实施例中第一类垫条和第二类垫条安装分解示意图；

图7c为本发明实施例中GEM薄膜在内部可移动垫条上的安装完成示意图；

图8a、8b分别为本发明实施例中主框架的外形和结构；

图9a、9b分别为本发明实施例中GEM探测器的安装示意图；

图10本发明实施例的另外一种相对内部垫条滑动的滑块示意图。

图中：1、滑块，2、垫条，3、主框架。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的用于大面积GEM探测器安装制作的滑动式自张紧方法，其较佳的具体实施方式是：

包括GEM薄膜固定的方法和给GEM薄膜施加张力的方法；

所述GEM薄膜固定的方法包括：

采用两类垫条将漂移电极和GEM薄膜的四个边缘分别固定住，其中第一类垫条位于所述漂移电极和GEM薄膜边缘的中间部位，第二类垫条位于所述漂移电极和GEM薄膜边缘的两端靠近角部的位置；

所述给GEM薄膜施加张力的方法包括：

固定于两类垫条外侧的滑块和带卡槽的主框架，所述滑块的外侧设有螺孔，所述主框架上设有卡槽，所述滑块的外侧设有螺孔的部位卡入所述卡槽中定位，所述卡槽的壁上设有通孔，用螺栓穿过通孔旋入螺孔中进行拉紧。

所述两类垫条分别包括一层气窗区垫条、一层漂移区垫条、两层传输区垫条和一层引导区垫条，所述气窗区垫条和引导区垫条的外侧设有突出部位；

所述漂移电极夹在所述气窗区垫条和漂移区垫条之间，三层GEM薄膜分别夹在漂移区垫条、两层传输区垫条和引导区垫条之间，所述滑块固定在气窗区垫条和引导区垫条外侧的突出部位之间。

本发明的用于大面积GEM探测器安装制作的滑动式自张紧方法，完全继承了自张紧方法所有优点，并克服自张紧方法在制作米级以上的GEM探测器时存在的问题，具有较强的设计灵活性，可以应用各种形状，各种尺寸的大面积GEM探测器制作。

本发明包括GEM薄膜在内部可移动垫条上的安装方法，GEM薄膜的供电方法以及GEM薄膜的张力施加方法。GEM薄膜的内部可移动垫条的安装包括薄膜在垫条上面固定以及在垫条上安装用于连接外框螺栓的滑块。将GEM薄膜在内部垫条上固定好以后，即可安装用于对薄膜提供工作电压并且可以随内部垫条同步移动的弹簧顶针。弹簧顶针安装完毕后，将外框与内部垫条相连，并通过螺栓对GEM薄膜施加张力，完成最后安装。本发明的关键技术是使用能相对内部垫条移动的滑块来连接外部施加张力的螺栓与内部垫条，使GEM薄膜受到拉力时，薄膜能够自由均匀的伸展，把外部施加的拉力均匀的传递到薄膜内部各处，从而提高探测器各个性能在整个有效面积上的均匀性。同时，主框架上通过使用卡槽来固定滑块，使得实际发生运动的只有GEM薄膜和内部垫条，与滑块相连的外部螺栓能够始终保持与外框侧面垂直，这就不仅保证螺栓能完美地压住用于密封的橡皮垫圈，使探测器具有非常好的气密性，而且完全避免了螺栓被外框卡住而导致GEM薄膜无法施加足够的张力的情况。

具体实施例：

以漂移电极与三层GEM薄膜同时进行拉伸的有效面积为100cm×50cm的GEM探测器为例，其气隙结构为“3-3-2-2-2”，即漂移电极与气窗之间的气隙为3mm，探测器的漂移区气隙为3mm，第一，第二传输区以及引导区气隙均为2mm。

一、内部可移动垫条的设计方案：

内部垫条用来在垂直方向上固定GEM薄膜，受到外部螺栓的拉力时负责带动GEM薄膜朝受力方向移动直到GEM薄膜的内部张力与外部施加的拉力平衡为止。垫条按照长度大小可以分为两类，第一类放置在GEM薄膜边缘的非拐角区域，长度较大(44mm左右)；第二类用于放置在GEM薄膜的边缘最接近拐角的地方，长度较小(25mm左右)。每类垫条按照垂直方向上所放置的位置不同，又可以分为5种，分别为气窗区垫条、漂移区垫条、第一传输区垫条、第二传输区垫条、引导区垫条。在本实施例中，由于第一传输区和第二传输区气隙相同，因此第一传输区垫条与第二传输区垫条完全相同。此外，位于GEM薄膜工作电压输入区域的垫条相比其他区域的垫条会多出两个用于电压传输的过孔。

如图2a、图2b所示，为第一类的垫条中的气窗区垫条的结构，图2a为垫条正面，图2b为垫条背面。垫条中部有一个朝前伸出部分，这部分的厚度比垫条其他部分稍大，用来给滑块提供支撑。垫条上一共有标号为A，B，C，D的四种类型的孔。其中A为阶梯孔，用来固定带螺纹的铝套筒；B为定位用沉孔，用来和GEM薄膜上面的定位孔配合做定位使用；C为沉孔，用来放置充当滑动轴用的不锈钢圆柱；D为通孔，用来供传输工作电压的弹簧顶针穿过。其中D类孔只有覆盖GEM薄膜工作电压输入区的部分垫条有，其余垫条没有D类孔。垫条上A类孔所在的矩形部分厚度为3mm，与漂移电极和气窗之间的距离相同。

图3所示为第一类的垫条中的漂移区垫条的结构。垫条上一共有A，B，D三种类型的孔。其中A为通孔，用来供带螺纹的铝套筒通过；B为定位用通孔，用来和GEM薄膜上面的定位孔配合做定位使用；D为通孔，用来供传输工作电压的弹簧顶针穿过。其中D类孔只有覆盖GEM薄膜工作电压输入区的部分垫条有，其余垫条没有D类孔。垫条厚度为3mm，与漂移区气隙相同。

图4所示为第一类的垫条中的传输区垫条的结构。垫条上一共有A，B，D三种类型的孔。其中A为通孔，用来供带螺纹的铝套筒通过；B为定位用通孔，用来和GEM薄膜上面的定位孔配合做定位使用；D为通孔，用来供传输工作电压的弹簧顶针穿过。其中D类孔只有覆盖GEM薄膜工作电压输入区的部分垫条有，其余垫条没有D类孔。由于第一传输区跟第二传输区的气隙厚度都为2mm，因此两个传输区的垫条设计完全相同，厚度都为2mm。

图5a、图5b所示为第一类的垫条中的引导区垫条的结构，图5a为垫条正面，图5b为垫条背面。垫条上一共有A，B，C三种类型的孔。其中A为阶梯孔，用来供固定垫条用的螺栓通过；B为定位用通孔，用来和GEM薄膜上面的定位孔配合做定位使用；C为沉孔，用来放置充当滑动轴用的不锈钢圆柱。垫条厚度为2mm，与引导区气隙相同。

如图6a、6b、6c、6d所示，第二类垫条的功能与第一类垫条完全相同，但是外形尺寸与第一类垫条相差较大。

二、GEM薄膜在内部可移动垫条上的安装方法：

由于GEM薄膜在使用垫条固定之后，被垫条压住的部分是不可移动的，因此GEM薄膜一侧边缘受到与其相邻的边缘上面外部拉力而被拉伸时，这些被垫条压住的部分会使得薄膜的拉伸变得不均匀，被压住的部分越多，膜拉伸的均匀性就越差。因此，本发明中使用的垫条长度很短，并且相邻垫条之间的间距比较大，尽最大可能减小膜被垫条压住的面积。除了能提升GEM薄膜拉伸时的均匀性外，采用“减小条长度，增加条个数”的方式还能有效增加探测器有效区内工作气体与有效区外气体的交换通道，更加有利于有效区内气体的流动和更新，有利于探测器在高计数率环境下的应用。

如图7a、图7b、图7c所示，内部可移动垫条的安装步骤如下：

1)将带内螺纹的铝套筒卡入最底层的垫条上，将定位针插入定位孔。2)将漂移电极薄膜上对应的4个孔对准4个铝套筒，定位孔对准定位针套入，并平整的放置在最底层垫条上。3)将第二层垫条上对应的4个孔对准4个铝套筒，定位孔对准定位针套入，并放置在漂移电极薄膜上。4)重复以上过程，直至第三张GEM薄膜放置好。5)将充当滑动轴的两根不锈钢柱插入最下层垫条上对应的沉孔中。6)把滑块放入不锈钢柱与垫条之间的空间，滑块上伸出来用来连接外部螺栓的部分置于两个不锈钢柱之间。7)把最上层垫条上的沉孔对准不锈钢柱，定位孔对准定位针套入，并用螺栓上紧。8)把定位针拔出。

三、探测器外框设计方案：

外框用来为GEM薄膜提供张力，同时与漂移电极，读出电极，支撑框架一起组成一个密闭的整体以保证探测器的气密性。外框的厚度与安装好的“垫条+GEM薄膜”厚度相同。外框的外形与GEM薄膜的形状相似，由于本例中采用的是矩形的GEM薄膜，因此外框外形整体呈矩形。

如图8a、8b所示，显示了外框的具体结构，包含各种形状的孔，槽，台阶等。其中A为固定用阶梯孔，用来内嵌圆柱形螺母，螺栓通过底部支撑板上(底部支撑板未在本图中显示)的通孔与内嵌的圆柱形螺母相连，将外框固定在支撑板上。B为固定用通孔，用定位销和底部支撑板相连接，用来增加外框的刚性，防止外框受到GEM薄膜的反作用力时沿受力方向移动。C为阶梯孔，半径较小的通孔部分用来供施加张力用的螺栓通过，半径较大的沉孔部分用来放置密封用橡胶O型圈。D为螺纹通孔，用来安装气嘴，用做探测器的“进气/出气”口，外框上一共有两个。E为用于放置橡胶O型圈的密封槽，外框的上下表面各一个，用来保持外框与下方支撑板以及上方盖板的接触位置的气密性。F为通孔，用来放置弹簧，通过弹簧连接漂移电极和读出电极的地平面。G为卡槽，具体结构如图8b所示，用来卡住滑块，保证施加张力的螺栓轴线与外框侧面垂直。同时，卡槽的底部有台阶，台阶高度略低于滑块下表面与外框下表面的垂直距离，用来加强外框的刚性。槽口有倒角，当滑块受到螺栓拉力朝着边框方向移动的时候，倒角起到一个导向的作用，能避免滑块没有和槽口完全对齐而无法顺利进入槽口的情况。

四、GEM探测器的安装：

将GEM薄膜固定在内部垫条上之后，就可以开始进行GEM探测器最后的安装。探测器的安装主要分为两个步骤：1)将外框底面的密封槽内放入橡胶O-型圈，然后把外框固定在底部支撑框架纸上，然后将用内部垫条固定好的“漂移电极+三层GEM薄膜”放入框中，然后用侧面的螺栓张紧薄膜，直至垫条与卡槽内部贴紧，如图9a所示。2)将外框顶面的密封槽放入橡胶O-型圈，然后把漂移电极板固定在外框上，最后再安装上工作电压输入接头等组件，如图9b所示。

本发明的有益效果：

本发明通过使用可相对内部垫条滑动的滑块来实现大面积GEM探测器的制作与安装，实现米级以上GEM探测器的安装，为核与粒子物理的基础研究和各种应用研究领域，尤其是高计数率环境下的粒子空间位置测量和径迹重建提供一种灵活、快速、低成本的GEM探测器制作与安装方法。本发明的有益效果详细说明如下：

使用灵活，易加工。用滑动式自张紧方法来制作与安装大面积GEM探测器的最大特点就是灵活。在不同的应用领域，对GEM探测器的内部结构与外形尺寸都有不同的要求。使用粘胶法制作探测器时，针对不同形状的GEM探测器，都需要用绝缘材料制作多个厚度为0.2mm左右的网格状支撑框架(框架高度跟其对应的气隙厚度相同)，并且支撑框架的外形必须跟GEM薄膜近似相同，这给机械加工带来的难度相当大。因此对于而使用本发明中的方法，由于内部垫条长度很短，因此只需要针对不同形状的GEM探测器的尺寸稍微调整垫条的边长与上面的孔间距，即可完美匹配不同探测器的外形，因此机械加工方式统一，难度较小，具有很好地可扩展性。此外，探测器的外框形状虽然也需要和GEM薄膜的形状近乎相同，但是外框的厚度不小于10mm，高度为探测器所有气隙厚度的总和(本例中为12mm)，因此机械加工相当容易。

探测器制作与维护成本低。使用滑动式自张紧方法制作的探测器，完全继承了自张紧方法的所有优点，所有部件都可拆卸。探测器如果在制作或者运行过程中受到损坏，可以拆开将受损部件用新的部件替换掉。而如果使用粘胶法制作GEM探测器，探测器制作完成后会成为一个不能分割的整体，而探测器一旦有部件受损，只能整体报废。

探测器各性能均匀性好，并且适用于超大面积的GEM探测器制作。与自张紧方法相比，本发明使用的方法能够使GEM薄膜的受力更加均匀，因而探测器工作时各GEM薄膜的平整度更好，因此探测器各性能在整个有效面积上的均匀性更加好。除此之外，由于本发明中采用的是可以相对内部垫条滑动的滑块，因此不会出现自张紧方法中会因为膜的拉伸距离过大而导致施力螺栓被外框卡主的情况与漏气的情况，因此可以扩展应用到数米级别尺寸的探测器制作上。

在实现如本发明所述的能相对内部垫条滑动的滑块的功能时，使用如图10所示的另外一种形势的滑块可以达到相同的目的。但是图10所示的滑块在受到主框上的螺栓的拉力时会因为上下受力不均匀而导致内部垫条向上翘起，从而影响GEM的平整度。

在实现如本发明所述的维持探测器气密性良好的功能时，也可以使用一种将“固定功能”和“气密性功能”相分离的复合式的框架来实现。但是这种方法会在探测器的边缘增加很多死区，不利于探测器的应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种用于大面积GEM探测器安装制作的滑动式自张紧方法，其特征在于，包括GEM薄膜固定的方法和给GEM薄膜施加张力的方法；

所述GEM薄膜固定的方法包括：

采用两类垫条将漂移电极和GEM薄膜的四个边缘分别固定住，其中第一类垫条位于所述漂移电极和GEM薄膜边缘的中间部位，第二类垫条位于所述漂移电极和GEM薄膜边缘的两端靠近角部的位置；

所述给GEM薄膜施加张力的方法包括：

固定于两类垫条外侧的滑块和带卡槽的主框架，所述滑块的外侧设有螺孔，所述主框架上设有卡槽，所述滑块的外侧设有螺孔的部位卡入所述卡槽中定位，所述卡槽的壁上设有通孔，用螺栓穿过通孔旋入螺孔中进行拉紧。

2.根据权利要求1所述的用于大面积GEM探测器安装制作的滑动式自张紧方法，其特征在于，所述两类垫条分别包括一层气窗区垫条、一层漂移区垫条、两层传输区垫条和一层引导区垫条，所述气窗区垫条和引导区垫条的外侧设有突出部位；

所述漂移电极夹在所述气窗区垫条和漂移区垫条之间，三层GEM薄膜分别夹在漂移区垫条、两层传输区垫条和引导区垫条之间，所述滑块固定在气窗区垫条和引导区垫条外侧的突出部位之间。