CN108531091B - 用于大面积Micromegas探测器制作的热熔胶膜热压接方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于大面积Micromegas探测器制作的热熔胶膜热压接方法，包括以下步骤：备好读出阳极板；制作热熔胶膜垫片，将制好的热熔胶膜垫片预排布于读出阳极板两侧；采用丝网张力平衡方法和辊压热压接技术，将不锈钢丝网粘接于读出阳极板两侧；在读出阳极板上制作漂移电极，完成Micromegas探测器的制备。

Description

用于大面积Micromegas探测器制作的热熔胶膜热压接方法

技术领域

本公开涉及Micromegas探测器的制作，尤其是一种用于大面积Micromegas探测器制作的热熔胶膜热压接方法。

背景技术

随着大型对撞机实验中粒子能量和亮度的不断提高，对探测谱仪中的各个探测器的计数能力、抗辐照性能、空间和时间分辨等提出了更高的要求。传统的多丝室、正比管已经很难满足这些需求。20世纪90年代，微结构气体探测器(MPGD)的出现，提供了一种很好的解决方案。Micromegas(Micro-Mesh Gaseous Structure，微网格气体探测器)就是其中典型代表之一，具有高计数率、抗辐射、高精度位置灵敏等诸多优异特性，因此很快成为气体探测器的重要研究方向之一。Micromegas探测器是典型的平行电极结构探测器，如图1所示，三个电极将探测器分成3-5mm的电离漂移区和单层厚度约为100μm的雪崩放大区。带电粒子或光子在漂移区直接电离或光电效应产生原子分子电离产生电子离子对，这些电离电子在漂移电场的作用下漂移，通过金属丝网进入雪崩放大区，在电场强度约为50kV/cm以上的放大区内，电离电子产生级联倍增，从而产生可观测的足够多的电荷信号。雪崩放大区可由单层或多层金属丝网和气体间隙叠加组成。显而易见，Micromegas探测器的制作难点集中在约100μm的极窄的雪崩间隙上。

法国Saclay实验室和欧洲核子中心(CERN)的RD51小组专门从事Micromegas探测器的研究工作。先后发展了Bulk和Micro-Bulk探测器的制作工艺。随着Micromegas研制技术的不断发展，已经成功在很多大型物理实验中应用，如日本的T2K实验，CERN的COMPASS实验等，以及正在开展和计划的实验，如ATLAS谱仪的Muon探测器的升级Phase I计划等。除此之外，该探测器在其他很多领域也有广阔的应用前景，例如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。

针对越来越丰富的应用前景，大面积、低成本、高效率的探测器制作技术需求紧迫。在我们研发大面积热熔胶膜压接技术之前，国际上能够实现大面积Micromegas探测器制作的只有Bulk工艺。这种技术主要通过紫外光辐照和化学刻蚀，来实现探测器核心雪崩结构的制作，目前正为ATLAS实验设计建造大型Muon探测器系统。

现有的技术中，能够实现大面积制作的只有法国Saclay实验室和CERN研发的Bulk技术，可以实现米量级的探测器制作。国内高能物理研究所和中国原子能院也先后研究了这一方法，但是限于设备规模，都尚未研制出有效面积大于100mm×100mm的探测器。Bulk技术基于感光膜的紫外曝光和后期的化学刻蚀来实现Micromegas探测器核心雪崩结构的制作。

Bulk技术首先将光敏薄膜、不锈钢丝网，层层压接在读出电路板上，然后利用紫外光辐照和化学刻蚀实现丝网和读出阳极板之间支撑结构的制作。这种方法制作的支撑结构通常直径为200μm-400μm，间距2mm。

现有Bulk技术的缺点：

1、技术复杂，污染环境：

这种方法对准直曝光，化学刻蚀有较苛刻的要求，需要专门的仪器设备，而且化学刻蚀不可避免对环境有较大的污染，所以很难推广使用。目前只有极少数单位掌握这一技术，且成品率较低，很难满足日益增长的应用需求。

2、对材料限制苛刻，扩展性差：

曝光刻蚀技术也决定了探测器的雪崩支撑间距不能太大，限制了探测器结构的演变。比如在一些低气压应用环境下，需要探测器的雪崩气隙由100μm增大到500μm，或者采用双层丝网结构的新结构探测器，Bulk工艺就无法适用。

3、大面积刻蚀清洗困难，打火问题突出：

光刻胶膜的机械性能差，胶膜刻蚀后所形成的微小垫片对于丝网和阳极板的粘接力差，尤其是在大面积应用时丝网与垫片的接触易于脱离。当探测器的面积达到米量级时，这种技术中的刻蚀清洗过程将变得非常困难，所以在ATLAS升级项目中，采用Bulk技术的Micromegas被迫采用可拆卸的悬浮丝网来应对这一问题，但打火问题不能彻底得到解决。

公开内容

(一)要解决的技术问题

针对现有的Bulk技术方案工艺复杂、刻蚀污染、大面积打火等不足之处，本公开的主要目的是提供一种简洁有效、对环境无污染、易扩展的大面积高性能探测器制作的工艺方法。

(二)技术方案

本公开提供了一种用于大面积Micromegas探测器制作的热熔胶膜热压接方法，包括以下步骤：步骤S1：备好读出阳极板；步骤S2：制作热熔胶膜垫片，将制好的热熔胶膜垫片预排布于读出阳极板两侧；步骤S3：采用丝网张力平衡方法和辊压热压接技术，将不锈钢丝网粘接于读出阳极板两侧；步骤S4：在读出阳极板上制作漂移电极，完成Micromegas探测器的制备。

在本公开的一些实施例中，步骤S1具体包括：子步骤S1a：将读出印刷线路板清洗干净；子步骤S1b：将清洗干净的印刷线路板读出放置于平整的桌面上，作为读出阳极板。

在本公开的一些实施例中，步骤S2具体包括：子步骤S2a：制作热熔胶膜垫片和热熔胶膜边框；子步骤S2b：将热熔胶膜垫片和热熔胶膜边框安放于读出阳极板两侧灵敏区的相应位置，用热风枪加热热熔胶膜垫片，使其热粘接在读出阳极板上。

在本公开的一些实施例中，在子步骤S2a中，采用激光切割法制作热熔胶膜垫片和热熔胶膜边框。

在本公开的一些实施例中，热熔胶膜垫片的直径为1mm，热熔胶膜垫片的间距为10mm以上。

在本公开的一些实施例中，步骤S3具体包括：子步骤S3a：清洗不锈钢丝网，将清洗干净的不锈钢丝网张紧固定在读出阳极板两侧；子步骤S3b：采用热辊压轴热压接方式，将不锈钢丝网粘接于读出阳极板上。

在本公开的一些实施例中，所述热熔胶膜垫片为层叠的热熔胶、聚酰亚胺衬底和热熔胶三层结构。

在本公开的一些实施例中，丝网张力为20N/cm以上。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

1、工艺流程简洁、对环境无污染、原料价格低，易于批量生产。流程简洁是本公开的一大特色，可以在数个小时内完成从原材料的准备到探测器制作完成，这是其它方法都不可比拟的。无曝光刻蚀工艺，对环境无污染，是现有探测器中的为数不多的纯“绿色产品”。原材料不锈钢丝网及热熔胶膜都是商业化产品，价格相对低廉，使得探测器的整体造价不到购买国外Bulk探测器的1/5。这些优势都为探测器的批量化生产和应用奠定了良好的基础。

2、原材料规格多样、探测器结构易扩展。除了批量生产满足常规化需求以外，商业化产品热熔胶膜的多样化可以有效的满足一些个性化的需求。比如一些低气压实验中，需要探测器的雪崩间隙扩大到几百个微米，采用刻蚀方法的Bulk工艺将很难实现，而利用本公开方法只需要选择相应厚度的支撑热熔胶膜即可实现，这很好的提升了Micromegas探测器的结构可扩展性。

3、探测器结构牢固紧凑，物质量低。采用大面积张力平衡技术，有效抵消了丝网张力的影响，从而避免使用较厚的材料，如蜂窝板对探测器丝网进行支撑。这样紧凑的探测器结构使得其在一些空间狭小的场合的应用具有优势，比如作为强子量能器的灵敏读出单元，紧凑型的径迹探测器等。另外低物质量使得其具备应用于一些低本底实验的潜质，比如PANDAX-III，MIMAC实验等的TPC读出。

4、探测器性能卓越，利于大面积应用。相对现有的Bulk工艺，较大的支撑垫片及较远的支撑间距、无刻蚀的工艺流程使得探测器保持清洁与清洗更加容易，从而非常利于改善探测器的打火问题，在大面积探测器的应用中优势更加明显。

附图说明

图1是Micromegas探测器结构及工作原理示意图。

图2是本公开实施例的热熔胶膜热压接方法的流程图。

图3是本公开实施例的热熔胶膜热压接方法的制作流程示意图。

图4是本公开实施例的热熔胶膜热压接方法的双面背靠背结构抵消不锈钢丝网张力示意图。

图5是热粘接方法制作流程示意图，(a)是平板热压法，(b)是辊压轴辊压法。

具体实施方式

本公开提供了一种用于大面积Micromegas探测器制作的热熔胶膜热压接方法。相比于Bulk工艺，本公开的热熔胶膜热压接方法对制备设备要求简单，制备所用材料为商业化产品，性能稳定可靠，价格相对低廉，普通实验室就能实现制备，可以满足更多实验需求；制备所用材料规格丰富，比如热熔胶膜有多种厚度可选，可以很方便灵活地调整雪崩间距以满足各种个性化的需求。另外，使用约1mm直径的热熔胶膜支撑垫片，热熔胶膜支撑垫片的间距大于10mm，使得制备出的探测器更易于清洗，可以有效降低大面积探测器的打火率。

本公开的热熔胶膜热压接方法包括从基本原材料到最终制作完成具有完整粒子探测功能的探测器的一整套的工艺流程和其关键技术要点。基本原材料包括不锈钢编织丝网、热熔胶膜和读出印刷线路板(读出PCB)。首先，将读出PCB清洗干净，放置于平整的桌面上；将事先裁好的热熔胶膜支撑垫片和热熔胶膜边框安放于读出PCB两侧灵敏区的相应位置，并用热风枪将热熔胶膜支撑垫片加热预固定在读出PCB上；然后将张紧的丝网清洗后固定在读出PCB两侧；接着，采用热辊压轴热压接的方法，简洁有效地将不锈钢丝网粘接于读出PCB上；最后制作漂移电极，实现约100微米间距的Micromegas核心雪崩结构的制备。

简洁高效是本公开的重要技术亮点，但在实际制备过程中并不简单，其中涉及了多项重要的技术方法和参数。如何把握丝网的张力、垫片的大小和间距、热辊压的温度及压力等是决定探测器研制成败的关键。

下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开实施例的用于大面积Micromegas探测器制作的热熔胶膜热压接方法，参见图2并结合图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1：备好读出阳极板。

该步骤具体包括：

子步骤S1a：将读出印刷线路板(读出PCB)清洗干净。

子步骤S1b：将清洗干净的读出PCB放置于平整的桌面上，作为读出阳极板。

步骤S2：制作热熔胶膜垫片，将制好的热熔胶膜垫片预排布于读出阳极板两侧。

Micromegas探测器的雪崩放大区为不锈钢丝网和读出阳极板组成的约百微米的间隙，如何保证这个窄间隙的均匀性和高绝缘性是探测器研制的最关键问题之一。探测器在工作状态下，不锈钢丝网和读出阳极板之间承受约500V的电压，50kV/cm的强电场造成的静电吸引力将不可忽视，需要合适的垫片支撑，而且支撑垫片的尺寸不能太小，且支撑垫片的间距不能太大。但是，另一方面，支撑垫片的面积造成的探测器的死区，恰恰是需要尽量降低的，这需要适当减小单个垫片面积而同时增大摆放间距。

支撑垫片的材料(支撑材料)选取：在50kV/cm的强电场下，要求漏电流小于nA量级，这就要求支撑材料具有极好的绝缘性，本公开采用的热熔胶膜作为支撑材料，包括层叠的热熔胶、聚酰亚胺衬底和热熔胶的三层结构，中间的聚酰亚胺衬底层具有极好的绝缘性能，满足探测器需求。另外，热熔胶膜的多种商业化规格完全可以满足探测器百微米量级支撑间隙的需求。

支撑材料的尺寸及间距：在保证不锈钢丝网支撑的前提下，需要尽量减小支撑垫片的尺寸，增大支撑垫片的间距以降低探测器死区面积比例。对于支撑垫片的尺寸，本公开采用激光切割的方法制作出直径约1mm的支撑垫片；对于支撑垫片的间距，在多次试验摸索和验证的基础上，优选采用10mm以上的间距。这样支撑面积占探测器灵敏面积的比例在1％以下，完全满足绝大多数实验的需求。

支撑垫片的预排布：对于大面积探测器的制作，比如，500mm×1000mm，需要5000个支撑垫片。本公开采用热风枪预加热粘接的方式，先把热熔胶膜垫片热粘接到读出阳极板上，这样既保证了垫片在完成热压接前不会位移，同时，易于发展成机械自动化流程，以提到探测器制作效率。

由此可见，这可以有效实现各种尺寸、形状探测器的研制，以满足不同实验的个性化需求。

步骤S2具体包括：

子步骤S2a：采用激光切割法制作出直径1mm的热熔胶膜垫片和热熔胶膜边框。

子步骤S2b：将热熔胶膜垫片和热熔胶膜边框安放于读出阳极板两侧灵敏区的相应位置，用热风枪加热热熔胶膜垫片，使其热粘接在读出阳极板上。其中，热熔胶膜垫片的间距为10mm以上。

步骤S3：采用丝网张力平衡方法和辊压热压接技术，将不锈钢丝网粘接于读出阳极板两侧。

不锈钢丝网是Micromegas探测器的核心部件，其基本参数将直接影响探测器的性能。其中，不锈钢丝网张力将直接关系到探测器能否正常工作，因为探测器在工作状态下，不锈钢丝网和读出阳极板之间的百微米间隙承受约500V的电压，50kV/cm的强电场造成的静电吸引力将不可忽视，只有足够的丝网张力才能克服静电引力保证间隙的均匀平整。Bulk方法中，丝网张力通常是15N/cm左右，这就限制了其灵敏区支撑间距不能太大，Bulk方法采用的是2mm的支撑间距。但是当增大探测器的面积到平方米量级时，即使15N/cm的张力也会在1m的读出阳极板边长上施加约1500N的拉力，这将直接导致读出阳极板的翘曲。在制作大面积探测器时，Bulk工艺采用悬浮丝网的方式来克服这一问题。本公开中采用了背靠背的双层丝网结构来平衡这种张力，如图4所示，通过双面压接丝网的方式实现具有对称结构的探测器制作。相比于其他方法，这种方法具有多个优势：

(1)允许更大的丝网张力，丝网张力得以增加到20N/cm以上，有利于增大支撑间距以减少支撑死区面积，本公开采用10mm以上的较大支撑间距，从而保证了支撑死区面积占比小于1％。

(2)在无需增加额外丝网支撑结构的条件下，解决了读出阳极板翘曲问题，这样的探测器结构更加紧凑，在实际应用中引入的物质量更低，减少粒子散射，提高实验测量效果。

(3)背靠背结构的Micromegas在探测器性能上具有特殊的优势。当把正反面读出连通时，两次雪崩信号将提供更好的时间测量和更高的探测器效率；当两面分别读出时，便可作为两个独立的Micromegas探测器使用，可作为x-y两维径迹探测器或4π接收度的X射线探测器。

热压接的方法可以是多种多样的，其中对于平板结构的粘接材料，常用的方法有热平板压接和辊压轴辊压方法，如图5所示，其中粘接材料1和2分别对应不锈钢丝网和读出阳极板。

本公开在对不同方法做大量试验的基础上，最终采用了辊压热压的技术方法，这相比平板热压方法具有诸多优势。

辊压相对简单的结构决定其更容易掌控，这主要表现在加热均匀性和设备压接面平行度方面。由于热熔膜熔化程度跟温度直接相关，所以要求在探测器制作过程中不同位置的温度差别不超过5度，这对平行板加热来说将很难实现，而对辊轴来说，可以通过电磁加热的方法实现。另一方面，热压设备的平行度也将直接关系到探测器的雪崩气隙的均匀平整，影响探测性能。当压接面积达到平方米量级时，控制一维的辊压轴保持到好于十微米的平行度要比实现两维的平板同样的平行度要容易的多。

步骤S3具体包括：

子步骤S3a：清洗不锈钢丝网，将清洗干净的不锈钢丝网张紧固定在读出阳极板两侧。

子步骤S3b：采用热辊压轴热压接方式，将不锈钢丝网粘接于读出阳极板上。

步骤S4：在读出阳极板上制作漂移电极，完成Micromegas探测器的制备。

在本公开中，在实现所述丝网张力平衡方法时，还可以采用以下方式：使用材料加固读出阳极板或者利用网框固定不锈钢丝网然后悬浮于读出阳极板上。在实现所述大面积百微米窄间隙支撑功能时，使用其他支撑方法比如塑料钓鱼线支撑也可以达到相同的目的。在实现所述的热辊压轴热压接技术时，使用平板热压或者手动热压，可以达到相同的目的。

综上所述，随着粒子物理实验及探测器民用的不断发展，人们对性能卓越的微结构气体探测器需求将越来越迫切。本公开通过采用热熔胶膜支撑，辊压轴辊压的方式，实现了一种简洁有效、无污染、低成本、易扩展的大面积高性能Micromegas探测器制作的工艺方法。预期能够满足未来人们对Micromegas探测器批量化和个性化的需求，其具有如下技术效果：

1、工艺流程简洁、对环境无污染、原料价格低，易于批量生产。流程简洁是本公开的一大特色，可以在数个小时内完成从原材料的准备到探测器制作完成，这是其它方法都不可比拟的。无曝光化学刻蚀工艺，对环境无污染，是现有探测器中的为数不多的纯“绿色产品”。原材料不锈钢丝网及热熔胶膜都是商业化产品，价格相对低廉，使得探测器的整体造价不到购买国外Bulk探测器的1/5。这些优势都为探测器的批量化生产和应用奠定了良好的基础。

2、原材料规格多样、探测器结构易扩展。除了批量生产满足常规化需求以外，商业化产品热熔胶膜的多样化可以有效的满足一些个性化的需求。比如一些低气压实验中，需要探测器的雪崩间隙扩大到几百个微米，采用刻蚀方法的Bulk工艺将很难实现，而利用本公开方法只需要选择相应厚度的支撑热熔胶膜即可实现，这很好的提升了Micromegas探测器的结构可扩展性。

3、探测器结构牢固紧凑，物质量低。采用大面积张力平衡技术，有效抵消了丝网张力的影响，从而避免使用较厚的材料，如蜂窝板对探测器丝网进行支撑。这样紧凑的探测器结构使得其在一些空间狭小的场合的应用具有优势，比如作为强子量能器的灵敏读出单元，紧凑型的径迹探测器等。另外低物质量使得其具备应用于一些低本底实验的潜质，比如PANDAX-III，MIMAC实验等的TPC读出。

4、探测器性能卓越，利于大面积应用。相对现有的Bulk工艺，较大的支撑垫片及较远的支撑间距、无刻蚀的工艺流程使得探测器保持清洁与清洗更加容易，从而非常利于改善探测器的打火问题，在大面积探测器的应用中优势更加明显。

至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (4)

1.用于大面积Micromegas探测器制作的热熔胶膜热压接方法，包括以下步骤：

步骤S1：备好读出阳极板；

步骤S2：制作热熔胶膜垫片，将制好的热熔胶膜垫片预排布于读出阳极板两侧；

步骤S3：采用丝网张力平衡方法和辊压热压接技术，将不锈钢丝网粘接于读出阳极板两侧，形成背靠背的双层丝网结构；辊轴不同位置的温度差别不超过5度；

步骤S4：在读出阳极板上制作漂移电极，完成Micromegas探测器的制备；

其中，热熔胶膜垫片的直径为1mm，热熔胶膜垫片的间距为10mm以上；丝网张力为20N/cm以上；

步骤S2具体包括：

子步骤S2a：制作热熔胶膜垫片和热熔胶膜边框；

子步骤S2b：将热熔胶膜垫片和热熔胶膜边框安放于读出阳极板两侧灵敏区的相应位置，用热风枪加热热熔胶膜垫片，使其热粘接在读出阳极板上；

在子步骤S2a中，采用激光切割法制作热熔胶膜垫片和热熔胶膜边框。

2.如权利要求1所述的热熔胶膜热压接方法，步骤S1具体包括：

子步骤S1a：将读出印刷线路板清洗干净；

子步骤S1b：将清洗干净的读出印刷线路板放置于平整的桌面上，作为读出阳极板。

3.如权利要求1所述的热熔胶膜热压接方法，步骤S3具体包括：

子步骤S3a：清洗不锈钢丝网，将清洗干净的不锈钢丝网张紧固定在读出阳极板两侧；

子步骤S3b：采用热辊压轴热压接方式，将不锈钢丝网粘接于读出阳极板上。

4.如权利要求1所述的热熔胶膜热压接方法，所述热熔胶膜垫片为层叠的热熔胶、聚酰亚胺衬底和热熔胶三层结构。

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