CN111487693B - 用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，包括：步骤S1：制作放大区PCB板；步骤S2：制备阳极读出板；步骤S3：在步骤S2后的阳极读出板的盲孔中制备热熔胶；以及步骤S4：将步骤S1所制备的放大区PCB板与步骤S3后的阳极读出板对应放置并粘合，完成用于数字强子量能器的阻性井型探测器的制备。

Description

用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法
技术领域
本公开涉及微结构气体探测器技术领域，尤其涉及一种用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法。
背景技术
气体电子倍增器(GEM)是当前微结构气体探测器(MPGD)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)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GEM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GEM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)，现有技术中，图1为基于PCB制作工艺制成的THGEM放大单元，其直接利用广泛用于PCB制作中的机械钻孔工艺，配合适当的后继化学刻蚀，可以得到与GEM类似的结构和工作模式；其优点是直接使用PCB基材制作，加工处理工艺和机械固定方法简单可靠。此外，THGEM的厚度可以在0.1毫米到几个毫米之间，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。随着对撞机在高能量和高亮度方向上不断推进，对撞机实验的物理性能越来越强烈地依赖于探测器的性能，同时探测器的工作环境也变得更恶劣，这些都对下一代探测器技术提出了严峻挑战。在对下一代探测器的性能要求中，极具挑战性的一项是强子喷注的能量分辨。受强子簇射巨大涨落的影响，传统量能器在喷注能量分辨率上已没有太大的改进空间，为了获得接近
Figure BDA0002463496790000021
的喷注能量分辨，必需要发展新一代的量能器技术，粒子流算法的概念因此被引入，而成像型量能器也应运而生。对成像型量能器而言，影响其性能的关键因素是喷注中不同粒子能量沉积之间的混淆，这在很大程度是由量能器的颗粒度决定的，相比而言，量能器的本征能量分辨并不是特别重要。因此，成像型量能器必须是取样型，包括吸收体和灵敏探测器，由相应的吸收层和灵敏层交叠构成。值得指出的是，具有高颗粒度的成像型量能器不仅仅是提高喷注能量分辨的需要，更是应对未来高能强子对撞机上极端实验条件的需要：在这些对撞机上，反应末态喷注多重数很高，同时多个喷注可能受到相同来源的强力推动，喷注之间会出现靠得很近甚至局部交叠的情况，只有高颗粒度的量能器才能在这种条件下实现喷注的有效重建；不同喷注还可能合并成一个胖喷注，这也是很多新物理的信号特征，高颗粒度的量能器可以识别这种胖喷注的内部结构，从而有效压低本底，显著提高探测新物理信号的灵敏度；强子对撞机上的堆积效应是影响喷注测量的支配性因素，使用高颗粒度的量能器，通过联合径迹探测器、利用簇射特征、施加孤立性要求等能有效压低堆积效应。
综上所述，成像型量能器是一种具有“径迹探测”概念的新型量能器，可以跟踪高能簇射发展的细节，通过粒子流算法，能显著提高喷注测量性能，满足未来对撞机实验的高要求，具有极大的应用前景，已成为下一代量能器技术的重要发展方向。数字强子量能器是成像型强子量能器的一个重要方案，具有探测器厚度小，读出简单，均匀性和稳定性好等特点，开发基于微结构气体探测器的数字强子量能器技术对于粒子物理实验的未来发展具有重要意义。针对这种需求，以THGEM为例，此时级联使用便不再是明显的优势，因此需要对探测器的研制工艺进行改良。结合图2至图8所示，将常规使用的级联结构THGEM探测器改成阻性板井型结构(Resistive-Plate WELL，RPWELL)的探测器是一种现有的技术路线，能够有效解决探测器厚度的问题。同时，RPWELL探测器也具有结构简单、抗打火以及高增益等特点，很适合作为强子量能器灵敏探测器的一个候选方案。但是，该技术方案也存在一些严重的缺点，如：用该方法制作探测器时需要在放大单元，阳极板，以及阻性板上打孔作为机械安装孔，由于螺丝螺母尺寸较大，因此给探测器造成了很大的死区；放大区的PCB板钻孔后需要复杂的化学刻蚀工艺刻蚀掉孔边缘的铜，工艺复杂，且由于存在孔边缘的绝缘环状区域，因此探测器长时间工作时存在增益不稳定的问题；由于阻性板的电阻率很大，而且可调节的范围很小，使得阻性板上累积的电荷泄放速度比较慢，这会造成探测器的计数率能力比较低，在高计数率的实验中难以得到应用。因此，在大面积RPWELL探测器的研制过程中，发现如何有效地将放大单元与读出电极进行可靠的耦合以及探测器如何快速泄放阻性层上的电荷以提高探测器的计数率是这个技术路线面临的关键性技术问题。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，以缓解现有技术中放大单元与读出电极耦合可靠性较差，探测器计数率不够高等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，包括：
步骤S1：制作放大区PCB板；
步骤S2：制备阳极读出板；
步骤S3：在步骤S2后的阳极读出板的盲孔中制备热熔胶；以及
步骤S4：将步骤S1所制备的放大区PCB板与步骤S3后的阳极读出板对应放置并粘合，完成用于数字强子量能器的阻性井型探测器的制备。
在本公开实施例中，所述步骤S1，包括：
子步骤S11：选取PCB基材并在表面沉积DLC薄膜；以及
子步骤S12：在完成子步骤S11后的基材上制备孔阵列，完成放大区PCB板的制备。
在本公开实施例中，所述步骤S2包括：
子步骤S21：制备基材PCB板；
子步骤S22：在子步骤S21所制备的基材PCB板上钻盲孔至中间层铜电极下；以及
子步骤S23：在子步骤S22钻盲孔后的PCB板上表面及盲孔内表面上制备DLC薄膜，完成阳极读出板的制备。
在本公开实施例中，所述步骤个S3，包括：
子步骤S31：在步骤S2后的阳极读出板对应盲孔位置放置热熔胶片；以及
子步骤S32：将热熔胶片熔化并渗入到盲孔中。
在本公开实施例中，所述步骤S4包括：
子步骤S41：将步骤S1所制备的放大区PCB板与步骤S3后的阳极读出板对应放置；以及
子步骤S42：加热以使放大区PCB板与阳极读出板粘合在一起。
在本公开实施例中，所述孔阵列中的孔直径为0.2mm～0.8mm，孔与孔间距为0.4mm～1.6mm。
在本公开实施例中，子步骤S11中所述DLC薄膜面电阻率在1Ω/□～1kΩ/□之间。
在本公开实施例中，基材PCB板中间层包含多个块状铜电极，块状电极的边长在0.5mm～5cm之间，块状铜电极与上表面之间的绝缘层厚度为75μm～200μm。
在本公开实施例中，使用机械钻孔方法在子步骤S21后的基材PCB板上钻盲孔，盲孔直径0.2mm～3mm，盲孔直径需要小于块状电极短边长的1/2。
在本公开实施例中，盲孔深度大于中间层块状铜电极到基材PCB板上表面的距离。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)无需螺丝螺母，装配方法简单可靠，探测器死区小，可以做到小于1％，能够极大的提升探测器对粒子的探测效率；
(2)制备导电电极不涉及复杂的化学刻蚀流程，因此只需要采用机械钻孔工艺就能制作出放大单元，这使得大面积探测器制作工艺的难度和成本都大幅度降低，而且探测器工作时不存在长期充电效应，能够保证探测器增益的稳定性；
(3)阻性层相比于阻性板厚度更薄，电阻率可根据需求自由调节，能够满足不同应用的需求。
附图说明
图1为现有技术中基于PCB制作工艺制成的THGEM放大单元的整体和局部结构示意图。
图2为现有技术中制备阻性板井型探测器所用的单面覆铜的PCB板的结构示意图。
图3为现有技术中使用机械钻孔方法在图2中所示PCB板上钻孔后的结构示意图。
图4为现有技术中对图3中所示钻孔边缘的铜进行化学刻蚀后制备的放大区PCB板的结构示意图。
图5为现有技术中通过标准PCB工艺生产的阳极PCB板的结构示意图。
图6为现有技术中选择合适电阻率和厚度的阻性材料板，对阻性材料板、图5所示阳极PCB板以及图4所示放大区PCB板对应的位置钻孔作为安装固定孔后的结构示意图。
图7为现有技术中将图6中所示阻性材料板和阳极PCB板粘接后的结构示意图。
图8为现有技术中将图7所示结构与图4所示放大区PCB板通过绝缘的螺母和螺丝装配后的结构示意图。
图9为本公开实施例制备用于数字强子量能器的阻性井型探测器所选取的PCB基材的结构示意图。
图10为本公开实施例将图9所示PCB基材钻孔后的结构示意图。
图11为本公开实施例制备阳极读出板所用的基材PCB板的结构示意图。
图12为本公开实施例在图11所示的PCB板上钻盲孔后的结构示意图。
图13为本公开实施例在图12所示的PCB板上表面及盲孔内表面上制备DLC薄膜后的结构示意图。
图14为本公开实施例在图13所示的盲孔位置放置热熔胶片后的结构示意图。
图15为本公开实施例将图14所示熔胶片熔化并渗入盲孔后的结构示意图。
图16为本公开实施例将图10所示的放大区PCB板与图15所示的阳极读出板对应放置后的结构示意图。
图17为本公开实施例将加热以使放大区PCB板与阳极读出板粘合在一起后，制备完成的用于数字强子量能器的阻性井型探测器的结构示意图。
图18为本公开实施例用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法的流程示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，采用的阻性材料为DLC。通过磁控溅射方法在PCB板上沉积阻性DLC，包含THGEM膜以及阳极板，其中THGEM膜上表面镀的DLC面电阻为低阻，用来加高压；而阳极板上的为高阻，增加探测器的抗打火能力；所制备出来的阻性井型探测器不仅具有厚度小、抗打火能力强的的优点，而且探测器不存在长期充电效应，死区小，计数率能力高。
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。
在本公开实施例中，提供一种用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，结合图9至图18所示，所述制备方法，包括：
步骤S1：制作放大区PCB板；
所述步骤S1，包括：
子步骤S11：选取PCB基材并在表面沉积DLC薄膜；
如图9所示，选择合适厚度的PCB基材，厚度为0.2mm～1mm，本实施案例使用的厚度为0.4mm，使用磁控溅射设备在PCB表面沉积低电阻率的DLC薄膜作为阻性电极，DLC电阻率要求低于1kΩ/□，本实施案例中使用的磁控溅射设备为Hauzer850，设备参数：磁场控制电流为2A，样品腔初始真空度为5×10-5，氩气流量200sccm，高纯石墨靶功率4kW，铬靶功率4kW，铜靶功率4kW，沉积时间为10min。DLC沉积完成后，检测其面电阻率为1Ω/□。
子步骤S12：在完成子步骤S11后的基材上制备孔阵列，完成放大区PCB板的制备。
在图9所示的样品上通过机械钻孔的方式钻孔，通常孔直径为0.2mm～0.8mm，孔与孔间距为0.4mm～1.6mm。本实施案例中孔直径为0.5mm，孔与孔间距为1mm。钻孔后的效果如图10所示。
步骤S2：制备阳极读出板；
所述步骤S2包括：
子步骤S21：制备基材PCB板；
制备阳极读出板的基材PCB板，PCB板中间层包含多个块状铜电极(读出电极)，阳极读出板结构根据应用需求而定，本实施案例中读出板厚度为2mm，块状铜电极的边长在0.5mm～5cm之间，块状铜电极与上表面之间的绝缘层厚度为75μm～200μm；本实施例中块状铜电极尺寸为24.8mm×24.8mm，相邻块状铜电极之间的间距为25mm；阳极读出板结构如图11所示。
子步骤S22：在子步骤S21所制备的基材PCB板上钻盲孔至中间层铜电极下；以及
使用机械钻孔方法在子步骤S21后的基材PCB板上钻盲孔，盲孔直径0.2mm～3mm，深度需大于中间层铜电极到PCB上表面的距离。本实施案例中盲孔直径为2mm，深度为0.5mm，盲孔之间间距为25mm；盲孔直径需要小于块状电极短边长的1/2。如图12所示，其中，钻孔深度需要超过铜电极所在位置。
子步骤S23：在子步骤S22钻盲孔后的PCB板上表面及盲孔内表面上制备DLC薄膜，完成阳极读出板的制备；
使用磁控溅射设备在子步骤S22后的PCB板表面及盲孔内表面沉积一层DLC薄膜作为阻性电极，DLC的面电阻率为1MΩ/□～1GΩ/□。本实施案例中使用的磁控溅射设备为Hauzer850，设备参数：磁场控制电流为2A，样品腔初始真空度为5×10-5mbar，氩气流量200sccm，高纯石墨靶功率4kW，沉积时间为30min。DLC沉积完成后，检测其面电阻率为200MΩ/□。本步骤完成后效果如图13所示。
步骤S3：在步骤S2后的阳极读出板的盲孔中制备热熔胶；
所述步骤个S3，包括：
子步骤S31：在步骤S2后的阳极读出板对应盲孔位置放置热熔胶片；以及
子步骤S32：将热熔胶片熔化并渗入到盲孔中；
PCB板上对应盲孔位置上放上合适大小的热熔胶片，然后放在烘箱内150度烘烤，直至胶膜完全融化并渗入到孔内，等待冷却后取出备用。
步骤S4：将步骤S1所制备的放大区PCB板与步骤S3后的阳极读出板对应放置并粘合，完成用于数字强子量能器的阻性井型探测器的制备。
所述步骤S4包括：
子步骤S41：将步骤S1所制备的放大区PCB板与步骤S3后的阳极读出板对应放置；以及
子步骤S42：加热以使放大区PCB板与阳极读出板粘合在一起。
结合图16至图17所示，将步骤S1所制备的放大区PCB板与步骤S3后的阳极读出板对应放置，放置于150度烘箱中，待热熔胶的胶膜融化将放大区PCB板与阳极板粘在一起。关掉烘箱，冷却完将探测器取出，完成用于数字强子量能器的阻性井型探测器的制备。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。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，上述对各元件和方法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。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，本方法制作的探测器，其放大区和读出电极通过热熔胶粘接，无需螺丝螺母，装配方法简单可靠，探测器死区小，可以做到小于1％，能够极大的提升探测器对粒子的探测效率。用本方法制作的探测器放大单元，采用低电阻率的DLC作为THGEM膜的导电电极，不涉及复杂的化学刻蚀流程，因此只需要采用机械钻孔工艺就能制作出放大单元。这使得大面积探测器制作工艺的难度和成本都大幅度降低，而且探测器工作时不存在长期充电效应，能够保证探测器增益的稳定性。使用DLC作为读出电极表面的阻性层，相比于阻性板厚度更薄，电阻率可根据需求自由调节，能够满足不同应用的需求。
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。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且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。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
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，如下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 (8)

1.一种用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，包括：
步骤S1：制作放大区PCB板；步骤S1，包括：
子步骤S11：选取PCB基材并在表面沉积DLC薄膜，所述PCB基材厚度为0.2mm～1mm，所述DLC薄膜面电阻率在1Ω/□～1kΩ/□之间；以及
子步骤S12：在完成子步骤S11后的基材上制备孔阵列；
步骤S2：制备阳极读出板；
步骤S3：在步骤S2后的阳极读出板的盲孔中制备热熔胶；以及
步骤S4：将步骤S1所制备的放大区PCB板与步骤S3后的阳极读出板对应放置并粘合，完成用于数字强子量能器的阻性井型探测器的制备。
2.根据权利要求1所述的用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，所述步骤S2包括：
子步骤S21：制备基材PCB板；
子步骤S22：在子步骤S21所制备的基材PCB板上钻盲孔至中间层铜电极下；以及
子步骤S23：在子步骤S22钻盲孔后的PCB板上表面及盲孔内表面上制备DLC薄膜，完成阳极读出板的制备。
3.根据权利要求1所述的用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，所述步骤S3，包括：
子步骤S31：在步骤S2后的阳极读出板对应盲孔位置放置热熔胶片；以及
子步骤S32：将热熔胶片熔化并渗入到盲孔中。
4.根据权利要求1所述的用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，所述步骤S4包括：
子步骤S41：将步骤S1所制备的放大区PCB板与步骤S3后的阳极读出板对应放置；以及
子步骤S42：加热以使放大区PCB板与阳极读出板粘合在一起。
5.根据权利要求1所述的用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，所述孔阵列中的孔直径为0.2mm～0.8mm，孔与孔间距为0.4mm～1.6mm。
6.根据权利要求2所述的用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，基材PCB板中间层包含多个块状铜电极，块状电极的边长在0.5mm～5cm之间，块状铜电极与上表面之间的绝缘层厚度为75μm～200μm。
7.根据权利要求2所述的用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，使用机械钻孔方法在子步骤S21后的基材PCB板上钻盲孔，盲孔直径0.2mm～3mm，盲孔直径需要小于块状电极短边长的1/2。
8.根据权利要求7所述的用于数字强子量能器的阻性井型探测器制作方法，盲孔深度大于中间层块状铜电极到基材PCB板上表面的距离。
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