CN109487210A - 抑制充电效应的thgem基材及其制备和检测方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种抑制充电效应的THGEM基材，包括：PCB基材层、铜电极层、通孔以及DLC薄膜；铜电极层，位于PCB基材层的上下表面；通孔在该基材上呈六角密排分布，且对多个通孔的上下边缘的铜电极层进行腐蚀，裸露出PCB基材层；DLC薄膜形成于PCB基材层裸露部分的表面。本公开提供的抑制充电效应的THGEM基材及其制备和检测方法，在厚型气体电子倍增器上沉积一层具有很高电阻率但不绝缘的类金刚石碳基薄膜，能够有效地去除厚型气体电子倍增器工作时产生的充电效应，使得探测器的有效增益一直能够保持稳定，对提升探测器工作的稳定性具有重要的作用。

Description

抑制充电效应的THGEM基材及其制备和检测方法
技术领域
本公开涉及厚型气体电子倍增器技术领域，尤其涉及一种抑制充电效应的THGEM基材及其制备和检测方法。
背景技术
厚型气体电子倍增器(Thick Gaseous Electron Multiplier，THGEM)是2004年由R.Chechik等人发明的一种微结构气体探测器(Micro-PatternGaseous Detector，MPGD)。THGEM使用普通商用PCB材料作为基材，利用PCB制作中通用的的机械钻孔工艺，配合适当的化学腐蚀方法，得到了与气体电子倍增器(GEM)类似的结构和工作模式。通常THGEM膜的PCB基材厚度介于0.4mm至0.8mm之间，双面镀铜，铜的厚度约几十微米左右，通过机械钻孔的方法在THGEM薄膜上制备出高密度的呈六角密排的小孔作为探测器的放大单元，当上下铜电极之间加上合适的电压后能在孔内形成很强的电场，从而能够对进入孔内的电子进行雪崩放大，实现电子倍增。孔的直径介于0.2mm至0.8mm之间，孔的边缘腐蚀掉一圈宽度介于0mm至0.2mm之间的铜，如图1至图2所示。由于THGEM膜是直接在PCB基材上加工得到，其加工处理工艺和机械固定方法简单可靠。并且由于THGEM膜的厚度通常介于0.4mm至0.8mm之间，单张THGEM膜装配成的探测器的增益就能达到104以上，远远高于GEM的增益；THGEM还具有百微米量级的位置分辨能力和10纳秒量级的时间分辨能力。
增益随时间的稳定性对于气体探测器的性能至关重要，这主要体现在探测器的效率和能量分辨率上。增益的长期稳定性显然会影响诸如TPC等需要能量测量的探测器运行，即使在不进行能量测量的探测器(如DHCAL)中，增益改变也会影响探测效率，从而影响探测器性能。
然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，THGEM膜在工作时存在裸露于工作气体中的绝缘表面，工作时气体雪崩产生的电荷在绝缘表面堆积会引起电场变化，从而导致探测器的增益会随时间发生变化，我们称之为充电效应。这种效应造成的探测器增益不稳定会导致探测器的能量刻度不准确从而使其性能变差，从而大大的限制了THGEM探测器的应用范围。因此，改善THGEM介质充电效应已成为当前THGEM技术发展的关键点。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种抑制充电效应的THGEM基材及其制备和检测方法，以抑制现有技术中THGEM介质的充电效应。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种抑制充电效应的THGEM基材，包括：PCB基材层；铜电极层，位于所述PCB基材层的上下表面；通孔，在该基材上呈六角密排分布，且对多个所述通孔的上下边缘的铜电极层进行腐蚀，裸露出所述PCB基材层；以及DLC薄膜，其形成于所述PCB基材层裸露部分的表面。
在本公开的一些实施例中，所述PCB基材层上下表面的所述铜电极层间的电阻值介于20GΩ至900GΩ之间。
在本公开的一些实施例中，所述DLC薄膜的厚度介于0.5μm至1μm之间。
根据本公开的另一个方面，还提供一种抑制充电效应的THGEM基材的制备方法，使用磁控溅射沉积设备，包括：步骤A：固定基底样品；步骤B：对磁控溅射设备的真空腔室抽真空；步骤C：在所述基底样品的正反两面沉积制备DLC薄膜。
在本公开的一些实施例中，所述基底样品包括：PCB基材层；铜电极层，位于所述PCB基材层的上下表面；以及通孔，在该基材上呈六角密排分布，且对多个所述通孔的上下边缘的铜电极层进行腐蚀，裸露出所述PCB基材层。
在本公开的一些实施例中，在固定基底样品前，还包括：步骤1：对所述基底样品进行预处理使其清洁干燥；步骤2：对磁控溅射设备的高纯石墨靶材表面溅射清洗。
在本公开的一些实施例中，所述步骤A包括：步骤A1：将所述基底样品使用鳄鱼夹固定在支架上；步骤A2：将整个支架装到所述真空腔室内部的旋转轴上；步骤A3：调整所述基底样品的位置，使其高度位于高纯石墨靶材的中部，所述高纯石墨靶材与所述基底样品的间距介于12cm至18cm之间。
在本公开的一些实施例中，所述步骤C中，在沉积过程中向真空腔室内掺入异丁烷气体，通过调整沉积时间和异丁烷气体流量来实现控制DLC薄膜的厚度和面电阻值率。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B中，在沉积过程中，保持真空腔室内的气压不高于7.4×10-4Torr。
根据本公开的再一个方面，还提供一种抑制充电效应的THGEM基材的检测方法，用于检测通过本公开提供的抑制充电效应的THGEM基材的制备方法制备的抑制充电效应的THGEM基材，包括：使用MeggerMIT485高阻表测量所述抑制充电效应的THGEM基材上下表面的所述铜电极层在施加1000V电压时的电阻值。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的抑制充电效应的THGEM基材及其制备和检测方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开提供的抑制充电效应的THGEM基材及其制备和检测方法，在厚型气体电子倍增器上沉积一层具有很高电阻率但不绝缘的类金刚石碳(Diamond-like Carbon，DLC)基薄膜，能够有效地去除厚型气体电子倍增器工作时产生的充电效应，使得探测器的有效增益一直能够保持稳定，对提升探测器工作的稳定性具有重要的作用；
(2)本公开提供的抑制充电效应的THGEM基材及其制备能极大提高厚型气体电子倍增器增益的稳定性，应用在高能物理实验中时，探测器的能量刻度的精确度能显著提高，从而提高探测器的能量分辨、位置分辨、粒子鉴别能力以及成像精度等性能，从而使THGEM能应用到对探测器性能要求更高的实验和应用中去。
附图说明
图1为现有技术中的厚型气体电子倍增器的局部放大图。
图2为现有技术中的厚型气体电子倍增器的剖视结构示意图。
图3为本公开实施例提供的抑制充电效应的THGEM基材的剖视结构示意图。
图4为本公开实施例提供的抑制充电效应的THGEM基材的制备方法中使用的磁控溅射沉积设备的结构示意图。
图5为本公开实施例提供的抑制充电效应的THGEM基材的制备方法的流程示意图。
图6为本公开实施例提供的抑制充电效应的THGEM基材的检测方法中二维轮廓仪测量的DLC薄膜的厚度结果示意图。
具体实施方式
本公开实施例提供的抑制充电效应的THGEM基材及其制备和检测方法在厚型气体电子倍增器上沉积一层具有很高电阻率但不绝缘的类金刚石碳基薄膜，能够有效地去除厚型气体电子倍增器工作时产生的充电效应，使得探测器的有效增益一直能够保持稳定，对提升探测器工作的稳定性具有重要的作用。
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，提供一种抑制充电效应的THGEM基材，如图3所示，包括：PCB基材层、铜电极层、通孔以及DLC薄膜；铜电极层位于PCB基材层的上下表面；通孔在该基材上呈六角密排分布，且对多个通孔的上下边缘的铜电极层进行腐蚀，裸露出PCB基材层；DLC薄膜形成于PCB基材层裸露部分的表面。在厚型气体电子倍增器上沉积一层具有很高电阻率但不绝缘的类金刚石碳基薄膜，能够有效地去除厚型气体电子倍增器工作时产生的充电效应，使得探测器的有效增益一直能够保持稳定，对提升探测器工作的稳定性具有重要的作用；并且能够极大提高厚型气体电子倍增器增益的稳定性，应用在高能物理实验中时，探测器的能量刻度的精确度能显著提高，从而提高探测器的能量分辨、位置分辨、粒子鉴别能力以及成像精度等性能，从而使THGEM能应用到对探测器性能要求更高的实验和应用中去。
在本公开的一些实施例中，PCB基材层上下表面的铜电极层间的电阻值介于20GΩ至900GΩ之间。
在本公开的一些实施例中，DLC薄膜的厚度介于0.5μm至1μm之间。
根据本公开的另一个方面，还提供一种抑制充电效应的THGEM基材的制备方法，使用如图4所示的磁控溅射沉积设备(该磁控溅射沉积设备包括：电源系统、抽真空系统、冷却系统以及磁控溅射真空腔室，在磁控溅射真空腔室内部包含两个高纯的碳靶以及一个转架)，如图5所示，包括：步骤A：固定基底样品；步骤B：对磁控溅射设备的真空腔室抽真空；步骤C：在所述基底样品的正反两面沉积制备DLC薄膜。
在本公开的一些实施例中，如图2所示，基底样品包括：PCB基材层、铜电极层以及通孔；铜电极层位于PCB基材层的上下表面；通孔在该基材上呈六角密排分布，且对多个通孔的上下边缘的铜电极层进行腐蚀，裸露出PCB基材层。
在本公开的一些实施例中，在固定基底样品前，还包括：步骤1：对基底样品进行预处理使其清洁干燥；步骤2：对磁控溅射设备的高纯石墨靶材表面溅射清洗。
在本公开的一些实施例中，步骤A包括：步骤A1：将基底样品使用鳄鱼夹固定在支架上；步骤A2：将整个支架装到真空腔室内部的旋转轴上；步骤A3：调整基底样品的位置，使其高度位于高纯石墨靶材的中部，高纯石墨靶材与基底样品的间距介于12cm至18cm之间。
在本公开的一些实施例中，步骤C中，在沉积过程中向真空腔室内掺入异丁烷气体，通过调整沉积时间和异丁烷气体流量来实现控制DLC薄膜的厚度和面电阻值率，未镀DLC薄膜之前，THGEM上下表面铜电极间的电阻值大于100TΩ。为了使镀在THGEM上的DLC薄膜达到有效疏散电荷的效果，需要使镀DLC薄膜后的THGHEM上下表面铜电极间的电阻值介于几十GΩ至几百GΩ范围内。由于THGEM所使用的PCB基材具有比较大的粗糙度，因此镀在THGEM上的DLC薄膜需要具有足够的厚度才能保证基材表面被DLC完全覆盖住。本公开实施例提供的抑制充电效应的THGEM基材的制备方法在薄膜沉积过程中掺入异丁烷气体，通过调整薄膜沉积时间和异丁烷气体流量来实现沉积出来的DLC薄膜同时具有足够大的厚度和面电阻值率。
在本公开的一些实施例中，步骤B中，在沉积过程中，保持真空腔室内的气压不高于7.4×10-4Torr。
根据本公开的再一个方面，还提供一种抑制充电效应的THGEM基材的检测方法，用于检测通过本公开实施例提供的抑制充电效应的THGEM基材的制备方法制备的本公开实施例提供的抑制充电效应的THGEM基材，包括：使用MeggerMIT485高阻表测量所述抑制充电效应的THGEM基材上下表面的所述铜电极层在施加1000V电压时的电阻值。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的抑制充电效应的THGEM基材及其制备和检测方法有了清楚的认识。
以下以一具体实施例验证本公开提供的抑制充电效应的THGEM基材及其制备和检测方法的有效性：
使用Teer650磁控溅射沉积设备在THGEM膜表面镀DLC，使得镀膜后的THGEM上下表面铜电极之间施加1000V电压时的电阻为200GΩ左右，沉积的DLC薄膜厚度为0.8μm左右。
步骤S1：对如图2所示的基底样品进行预处理使样品清洁干燥，所处理的THGEM灵敏区面积为5cm×5cm，基材厚度为400μm，两面铜电极层的厚度为20μm，孔直径为500μm，孔与孔中心的间距为1mm，处理包括以下步骤：使用酒精对样品材料进行擦拭清洁，用无尘布擦干样品表面，并将样品放置烘箱中，设置烘箱温度为70度，烘烤样品24小时；
步骤S2：对高纯石墨靶材表面溅射清洗，包括以下步骤：将真空腔室抽至1.5×10- 5Torr，打开冷却系统，开启电源系统，通入流量为16sccm的高纯氩气，在弱磁场的高纯石墨靶材上设置偏压为100V，设置靶材电流为3A，对高纯石墨靶材表面进行溅射清洗20分钟；
步骤S3：固定基底样品，包括以下步骤：将基底样品使用鳄鱼夹固定在旋转轴的支架上，若初次制备，则同时将一块3cm×8cm的载玻片固定在支架上(用于测量沉积出来的DLC薄膜厚度)，然后将整个支架装到真空腔室内部的旋转轴上，调整样品位置，使得样品高度位于弱磁场高纯靶材的中部，靶材与样品间距为15厘米左右；
步骤S4：对真空腔室抽真空，包括以下步骤：打开机械泵，对腔室抽真空，当真空度达到3×10-5Torr时，打开冷却系统以及电源系统，手动抽取异丁烷气路中管壁残留的气体10分钟至20分钟，打开异丁烷气体源，向真空腔室内通入异丁烷气体，设置异丁烷气体的流量为8sccm；
步骤S5：在基底样品的正反面制备类金刚石碳基薄膜，包括以下步骤：在真空腔室内部通入高纯度的氩气，流量为16sccm，保持真空腔室内部的气压为7.4×10-4Torr，设置真空腔室内部旋转轴的转速为10转/分钟；在基底样品上施加300V的偏压，对基底样品表面进行等离子体轰击、刻蚀5分钟，进一步地调节基底样品上偏压为30V，靶上电流设置为3.5A，溅射时间设置为120分钟，在基底样品的一面溅射沉积得到类金刚石碳基薄膜；关闭电源系统，保持循环冷却系统正常工作，对真空腔室抽真空至1×10-6Torr以下，使得镀有DLC薄膜的基底样品在真空环境下冷却120分钟；打开真空腔室，从转架上取下基底样品翻转180°后重新固定，重复上述步骤，在基底样品的另外一面溅射沉积得到类金刚石碳基薄膜；
步骤S6：对得到的THGEM进行检测，包括以下步骤：若步骤S3中将载玻片固定于支架上，则将沉积有DLC薄膜的载玻片从转架上取下，使用二维轮廓仪测量载玻片上DLC薄膜的厚度，测量结果如图6所示，该DLC薄膜厚度为0.8微米左右；使用MeggerMIT485高阻表测量THGEM膜上下表面电极在施加1000V电压时的电阻值，测试结果为200GΩ。
综上所述，本公开实施例提供的抑制充电效应的THGEM基材及其制备和检测方法使用磁控溅射方法在厚型气体电子倍增器绝缘基材表面沉积一层电阻率很高但不绝缘的类金刚石碳基薄膜涂层，经过上述方法处理的厚型气体电子倍增器在工作时不再有充电效应。
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)

1.一种抑制充电效应的THGEM基材，包括：
PCB基材层；
铜电极层，位于所述PCB基材层的上下表面；
通孔，在该基材上呈六角密排分布，且对多个所述通孔的上下边缘的铜电极层进行腐蚀，裸露出所述PCB基材层；以及
DLC薄膜，其形成于所述PCB基材层裸露部分的表面。
2.根据权利要求1所述的抑制充电效应的THGEM基材，所述PCB基材层上下表面的所述铜电极层间的电阻值介于20GΩ至900GΩ之间。
3.根据权利要求1所述的抑制充电效应的THGEM基材，所述DLC薄膜的厚度介于0.5μm至1μm之间。
4.一种抑制充电效应的THGEM基材的制备方法，使用磁控溅射沉积设备，包括：
步骤A：固定基底样品；
步骤B：对磁控溅射设备的真空腔室抽真空；
步骤C：在所述基底样品的正反两面沉积制备DLC薄膜。
5.根据权利要求4所述的抑制充电效应的THGEM基材的制备方法，所述基底样品包括：
PCB基材层；
铜电极层，位于所述PCB基材层的上下表面；以及
通孔，在该基材上呈六角密排分布，且对多个所述通孔的上下边缘的铜电极层进行腐蚀，裸露出所述PCB基材层。
6.根据权利要求5所述的抑制充电效应的THGEM基材的制备方法，在固定基底样品前，还包括：
步骤1：对所述基底样品进行预处理使其清洁干燥；
步骤2：对磁控溅射设备的高纯石墨靶材表面溅射清洗。
7.根据权利要求5所述的抑制充电效应的THGEM基材的制备方法，所述步骤A包括：
步骤A1：将所述基底样品使用鳄鱼夹固定在支架上；
步骤A2：将整个支架装到所述真空腔室内部的旋转轴上；
步骤A3：调整所述基底样品的位置，使其高度位于高纯石墨靶材的中部，所述高纯石墨靶材与所述基底样品的间距介于12cm至18cm之间。
8.根据权利要求5所述的抑制充电效应的THGEM基材的制备方法，所述步骤C中，在沉积过程中向真空腔室内掺入异丁烷气体，通过调整沉积时间和异丁烷气体流量来实现控制DLC薄膜的厚度和面电阻值率。
9.根据权利要求5所述的抑制充电效应的THGEM基材的制备方法，所述步骤B中，在沉积过程中，保持真空腔室内的气压不高于7.4×10-4Torr。
10.一种抑制充电效应的THGEM基材的检测方法，用于检测通过如上述权利要求4至9中任一项所述的抑制充电效应的THGEM基材的制备方法制备的如上述权利要求1至3中任一项所述的抑制充电效应的THGEM基材，包括：使用MeggerMIT485高阻表测量所述抑制充电效应的THGEM基材上下表面的所述铜电极层在施加1000V电压时的电阻值。
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