CN109273343B - 阻性厚型气体电子倍增器、探测器及制备方法 - Google Patents

阻性厚型气体电子倍增器、探测器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种阻性厚型气体电子倍增器、探测器及制备方法，该阻性厚型气体电子倍增器包括：PCB基材层以及阻性电极层，该阻性电极层分别形成于PCB基材层的正反表面上，其与PCB基材层的正反表面通过胶层粘接，该阻性电极层沿其厚度方向依次分为：Apical层和DLC层，Apical层与胶层粘接；DLC层形成于Apical层上；其中，该阻性厚型气体电子倍增器沿其厚度方向形成有N个通孔，N≥1。本公开提供的阻性厚型气体电子倍增器可通过改变磁控溅射工艺参数调整阻性电极层的面电阻率，并且阻性电极层远离PCB基材层的表面无任何绝缘物体残留，不容易对探测器的计数率能力造成影响。

Description

阻性厚型气体电子倍增器、探测器及制备方法
技术领域
本公开涉及微结构气体探测器技术领域，尤其涉及一种阻性厚型气体电子倍增器、探测器及制备方法。
背景技术
气体电子倍增器(GEM-Gas Electron Multiplier)是当前微结构气体探测器(MPGD-Micro-Pattern Gaseous Detector)中应用得最为广泛的探测器之一。GEM探测器的计数率能力能达到100kHz/mm2，位置分辨好于100μm，探测效率接近100％，时间分辨为～10ns量级。GEM探测器的这些特性使得它在许多研究领域得到迅速发展和应用：如在COMPASS、STAR等高能物理实验中用于高计数率环境下的粒子径迹测量与触发，应用于时间投影室(TPC-Time Projection Chamber)中进行二维位置测量，光子测量，X-射线医学成像等。尽管GEM探测器在发展方面取得了相当大的进展，它仍然是一个相当脆弱的探测器。例如，它在制造和组装过程中需要非常干净和无尘的环境；在一些高增益工作条件下很容易会因为打火放电而损坏。此外，由于气体电子倍增器本身的制作研发工艺相对复杂，机械安装存在一定难度，目前相关的气体电子倍增器探测器技术仍在不断发展和改进。
为了克服这些问题，2004年Chechik等人发明了一种厚型GEM探测器(THGEM)，直接利用广泛用于PCB制作中的机械钻孔工艺，配合适当的后继腐蚀，可以得到与GEM类似的结构和工作模式，其优点是直接在PCB基材上工作，加工处理工艺和机械固定方法简单可靠。此外，THGEM的厚度通常在0.4mm～0.8mm之间，单张THGEM膜的增益就能达到104以上，远远高于GEM的增益；其位置分辨为亚毫米量级，比GEM探测器稍差。
THGEM探测器除了用于一些与GEM探测器类似的应用之外，其最重要的一项应用之一是跟光阴极结合用于紫外光子探测，这使得THGEM探测器经常工作在很高增益的条件下，因此不可避免的会给探测器带来打火放电。为了避免打火放电对探测器读出电子学造成损坏，在THGEM探测器中使用阻性电极是一种行之有效的方法。使用阻性电极后，即使THGEM探测器工作在增益为105的条件下，探测器内部的打火也会因为阻性电极的存在而变得轻微，不会损坏探测器和前端电子学，为探测器的应用提供了极为有利的条件。
现有的一种用于制作阻性THGEM的方法是基于一种面电阻率为500kΩ/□到800kΩ/□之间的聚酰亚胺薄膜，具体制作步骤如图1至图6所示，首先根据待制作的阻性THGEM的参数，选择一张厚度匹配的PCB基材，对表面进行清洁(如图1所示)；然后用环氧树脂胶在PCB基材的上下表面各粘上一层阻性聚酰亚胺膜，作为THGEM的阻性电极(如图2所示)；接下来在阻性聚酰亚胺膜上用环氧树脂胶粘上一层厚度大约为35μm的铜膜，用于机械钻孔时避免有聚酰亚胺膜的碎屑残留在孔中无法去除(如图3所示)；紧接着根据待制作的THGEM参数，使用CNC钻孔技术在基材上钻孔(如图4所示)；最后将钻好孔的THGEM基材放入铜刻蚀液中，将不需要的铜移除掉(如图5所示)；铜刻蚀完成后，取出清洁并烘干，即可得到阻性THGEM(如图6所示)。
然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，现有的阻性THGEM制作技术主要存在两个缺点：1)采用的阻性聚酰亚胺薄膜是商业化产品，其面电阻值只有少数的几个规格，而且普遍偏小，这导致探测器对打火放电的抑制能力不够高，限制了其应用的范围。2)制作工艺过于复杂，需要多次粘接，并且最后刻蚀的时候无法移除阻性聚酰亚胺外表面的胶，会对电子的收集造成一定的影响。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种阻性厚型气体电子倍增器、探测器及制备方法，以缓解现有技术中的阻性THGEM制作工艺阻性电极层的面电阻率无法调整，且最后成型的THGEM无法移除阻性聚酰亚胺外表面的胶，容易对电子收集造成不利影响的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种阻性厚型气体电子倍增器，包括：PCB基材层；以及阻性电极层，分别形成于所述PCB基材层的正反表面上，其与所述PCB基材层的正反表面通过胶层粘接，该阻性电极层沿其厚度方向依次分为：Apical层，其与所述胶层粘接；以及DLC层，其形成于所述Apical层上；其中，该阻性厚型气体电子倍增器沿其厚度方向形成有N个通孔，N≥1。
在本公开的一些实施例中，其中：所述Apical层的厚度介于40μm至60μm之间；所述DLC层的厚度介于80nm至120nm之间。
在本公开的一些实施例中，所述胶层包含：环氧树脂胶。
根据本公开的再一个方面，还提供一种阻性厚型气体电子倍增器的制备方法，包括：步骤A：制备阻性电极基材，其由下至上依次分为：Apical层；DLC层，其形成于所述Apical层上；以及铜层，其形成于所述DLC层上：步骤B：将步骤A制得的阻性电极基材分别粘接在PCB基材层的正反表面上，并使所述Apical层朝向所述PCB基材层；步骤C：使用CNC钻孔技术在步骤B制得的基材上形成通孔；步骤D：将钻孔后的基材放入铜刻蚀液中，移除铜层；步骤E：移除铜层后，从铜刻蚀液中取出进行清洁、烘干，得到本公开提供的阻性厚型气体电子倍增器。
在本公开的一些实施例中，所述步骤A包括：步骤A1：通过磁控溅射法在所述Apical层上镀上所述DLC层；以及步骤A2：通过磁控溅射法在所述DLC层上镀上所述铜层。
在本公开的一些实施例中，所述步骤A1中，通过调节磁控溅射过程中的磁控溅射设备的腔体真空度、靶电流、掺杂或沉积时间中的至少一项，调节DLC的面电阻率。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B中，将所述阻性电极基材分别粘接在所述PCB基材层的正反表面上之前，对所述PCB基材层的表面进行清洁。
在本公开的一些实施例中，所述步骤D中，通过光刻方法，在所述DLC层上形成快速接地回路。
在本公开的一些实施例中，所述铜层的厚度介于4μm至4.6μm之间。
根据本公开的再一个方面，还提供一种阻性厚型气体电子探测器，包括：本公开提供的阻性厚型气体电子倍增器；以及读出电极，与所述阻性厚型气体电子倍增器连接，用于读出所述阻性厚型气体电子倍增器中雪崩电子运动在读出电极上产生的感应信号的总和。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的阻性厚型气体电子倍增器、探测器及制备方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开提供的阻性电极基材大幅度减小了铜层的厚度，使得铜刻蚀过程更为简单快速；
(2)本公开提供的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法，只需要对阻性电极基材进行一次粘接，由于粘接过程需使用慢干型环氧树脂胶，并且需要对基材施加较大压力，因此减少一次粘接步骤能够大幅度减少制作时间；
(3)使用本公开提供的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法制备的阻性厚型气体电子倍增器中，阻性电极层远离PCB基材层的表面无任何绝缘物体残留，不容易对探测器的计数率能力造成影响；
(4)本公开提供的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法，可根据应用需求来制备具有特定面电阻率的DLC(Diamond-like Carbon-类金刚石碳)层；
(5)由于阻性电极基材上的铜层与DLC层直接接触，因此在铜刻蚀步骤中可以通过与光刻工艺相结合，在DLC层上制作出快速接地回路，从而大幅度提高阻性厚型气体电子探测器的计数率能力，从而使本公开提供的阻性厚型气体电子倍增器与现有技术相比具有更好的适应性，应用范围更加广泛。
附图说明
图1至图6现有技术中的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法。
图7为本公开实施例提供的阻性厚型气体电子倍增器的结构示意图。
图8为本公开实施例提供的阻性电极基材的结构示意图。
图9为本公开实施例的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法的流程示意图。
图10至图12为本公开实施例的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法的制备过程示意图。
具体实施方式
本公开实施例提供的阻性厚型气体电子倍增器、探测器及制备方法采用磁控溅射法技术在Apical层上形成DLC层，只需要对阻性电极基材进行一次粘接，由于粘接过程需使用慢干型环氧树脂胶，并且需要对基材施加较大压力，因此减少一次粘接步骤能够大幅度减少制作时间。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
根据本公开的一个方面，提供一种阻性厚型气体电子倍增器，如图7所示，包括：PCB基材层以及阻性电极层，该阻性电极层分别形成于PCB基材层的正反表面上，其与PCB基材层的正反表面通过胶层粘接，该阻性电极层沿其厚度方向依次分为：Apical层和DLC层，Apical层与胶层粘接；DLC层形成于Apical层上；其中，该阻性厚型气体电子倍增器沿其厚度方向形成有N个通孔，N≥1。
在本公开的一些实施例中，其中：Apical层的厚度介于40μm至60μm之间；DLC层的厚度介于80nm至120nm之间。
在本公开的一些实施例中，胶层包含：环氧树脂胶。
根据本公开的另一个方面，还提供一种阻性电极基材，如图8所示，其由下至上依次分为：Apical层、DLC层和铜层；DLC层形成于Apical层上；铜层形成于DLC层上。
在本公开的一些实施例中，铜层的厚度介于4μm至4.6μm之间，本公开实施例提供的阻性电极基材大幅度减小了铜层的厚度，使得铜刻蚀过程更为简单快速。
根据本公开的再一个方面，还提供一种阻性厚型气体电子倍增器的制备方法，如图9所示，包括：步骤A：制备本公开实施例提供的阻性电极基材；步骤B：将步骤A制得的阻性电极基材分别粘接在PCB基材层的正反表面上，并使Apical层朝向PCB基材层(如图10所示)；步骤C：使用CNC钻孔技术在步骤B制得的基材上形成通孔(如图11所示)；步骤D：将钻孔后的基材放入铜刻蚀液中，移除铜层(如图12所示)；步骤E：移除铜层后，从铜刻蚀液中取出进行清洁、烘干，得到本公开实施例提供的阻性厚型气体电子倍增器，本公开实施例提供的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法，只需要对阻性电极基材进行一次粘接，由于粘接过程需使用慢干型环氧树脂胶，并且需要对基材施加较大压力，因此减少一次粘接步骤能够大幅度减少制作时间，并且使用本公开实施例提供的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法制备的阻性厚型气体电子倍增器中，阻性电极层远离PCB基材层的表面无任何绝缘物体残留，不容易对探测器的计数率能力造成影响。
在本公开的一些实施例中，步骤A包括：步骤A1：通过磁控溅射法在Apical层上镀上DLC层；以及步骤A2：通过磁控溅射法在DLC层上镀上铜层。
在本公开的一些实施例中，步骤A1中，通过调节磁控溅射过程中的磁控溅射设备的腔体真空度、靶电流、掺杂或沉积时间中的至少一项，调节DLC的面电阻率。
在本公开的一些实施例中，步骤B中，将阻性电极基材分别粘接在PCB基材层的正反表面上之前，对PCB基材层的表面进行清洁。
在本公开的一些实施例中，步骤D中，通过光刻方法，在DLC层上形成快速接地回路，由于阻性电极基材上的铜层与DLC层直接接触，因此在铜刻蚀步骤中可以通过与光刻工艺相结合，在DLC层上制作出快速接地回路，从而大幅度提高阻性厚型气体电子探测器的计数率能力，从而使本公开实施例提供的阻性厚型气体电子倍增器与现有技术相比具有更好的适应性，应用范围更加广泛。
根据本公开的再一个方面，还提供一种阻性厚型气体电子探测器，包括：本公开实施例提供的阻性厚型气体电子倍增器以及读出电极，该读出电极与阻性厚型气体电子倍增器连接，用于读出阻性厚型气体电子倍增器中雪崩电子运动在读出电极上产生的感应信号的总和。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的阻性厚型气体电子倍增器、探测器及制备方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的阻性厚型气体电子倍增器、探测器及制备方法只需要对阻性电极基材进行一次粘接，由于粘接过程需使用慢干型环氧树脂胶，并且需要对基材施加较大压力，因此减少一次粘接步骤能够大幅度减少制作时间，并且阻性电极层远离PCB基材层的表面无任何绝缘物体残留，不容易对探测器的计数率能力造成影响。
还需要说明的是，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。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
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 (10)

1.一种阻性厚型气体电子倍增器，包括：
PCB基材层；以及
阻性电极层，分别形成于所述PCB基材层的正反表面上，其与所述PCB基材层的正反表面通过胶层粘接，该阻性电极层沿其厚度方向依次分为：
Apical层，其与所述胶层粘接；以及
DLC层，其形成于所述Apical层上；
其中，该阻性厚型气体电子倍增器沿其厚度方向形成有N个通孔，N≥1。
2.根据权利要求1所述的阻性厚型气体电子倍增器，其中：
所述Apical层的厚度介于40μm至60μm之间；
所述DLC层的厚度介于80nm至120nm之间。
3.根据权利要求1所述的阻性厚型气体电子倍增器，所述胶层包含：环氧树脂胶。
4.一种阻性厚型气体电子倍增器的制备方法，包括：
步骤A：制备阻性电极基材，其由下至上依次分为：
Apical层；
DLC层，其形成于所述Apical层上；以及
铜层，其形成于所述DLC层上；
步骤B：将步骤A制得的阻性电极基材分别粘接在PCB基材层的正反表面上，并使所述Apical层朝向所述PCB基材层；
步骤C：使用CNC钻孔技术在步骤B制得的基材上形成通孔；
步骤D：将钻孔后的基材放入铜刻蚀液中，移除铜层；
步骤E：移除铜层后，从铜刻蚀液中取出进行清洁、烘干，得到如上述权利要求1至3中任一项所述的阻性厚型气体电子倍增器。
5.根据权利要求4所述的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法，所述步骤A包括：
步骤A1：通过磁控溅射法在所述Apical层上镀上所述DLC层；以及
步骤A2：通过磁控溅射法在所述DLC层上镀上所述铜层。
6.根据权利要求5所述的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法，所述步骤A1中，通过调节磁控溅射过程中的磁控溅射设备的腔体真空度、靶电流、掺杂或沉积时间中的至少一项，调节DLC的面电阻率。
7.根据权利要求4所述的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法，所述步骤B中，将所述阻性电极基材分别粘接在所述PCB基材层的正反表面上之前，对所述PCB基材层的表面进行清洁。
8.根据权利要求4所述的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法，所述步骤D中，通过光刻方法，在所述DLC层上形成快速接地回路。
9.根据权利要求4所述的阻性厚型气体电子倍增器的制备方法，所述铜层的厚度介于4μm至4.6μm之间。
10.一种阻性厚型气体电子探测器，包括：
如上述权利要求1至3中任一项所述的阻性厚型气体电子倍增器；以及
读出电极，与所述阻性厚型气体电子倍增器连接，用于读出所述阻性厚型气体电子倍增器中雪崩电子运动在读出电极上产生的感应信号的总和。
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