CN111508800A

CN111508800A - 应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法

Info

Publication number: CN111508800A
Application number: CN202010330889.5A
Authority: CN
Inventors: 周意; 宋国锋; 邵明; 尚伦霖; 张广安; 鲁志斌; 王旭; 刘建北; 张志永
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: CN111508800B

Abstract

本公开提供一种应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，包括：步骤S1：制备读出电极PCB板并在其表面沉积DLC薄膜层；步骤S2：制备连接层PCB板；步骤S3：将步骤S2所制备的连接层PCB板粘接在步骤S1所制备的读出电极PCB上，使连接层PCB板上的盲孔与读出电极PCB上的过孔对齐，并在连接层PCB板表面以及通孔壁上沉积DLC薄膜；步骤S4：制作放大区PCB板；以及步骤S5：在连接层PCB板的通孔中填充环氧树脂胶后与步骤S4所制备的放大区PCB板粘接，完成用于穿越辐射探测器的放大单元的制备。

Description

应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法

技术领域

本公开涉及粒子探测器技术领域，尤其涉及一种应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法。

背景技术

高能物理实验通过记录分析对撞产生的末态粒子来研究物理过程和规律。由于微观粒子无法被直接观测，因此需要使它们与粒子探测器中的物质发生相互作用并转移能量才能实现对它们的测量。例如通过记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性质(能量、动量、飞行方向等)进而鉴别粒子。带电粒子在不同电介质中具有不同的电场分布，在穿过电介质交界面时必然伴随着电场分布的快速调整，这一过程会产生电磁辐射，这种高能带电粒子穿越不同电介质的交界面时放出的电磁辐射称之为穿越辐射。辐射能谱主要集中在X射线能区，其辐射强度强烈依赖于入射粒子的洛伦兹因子γ。因此，通过探测穿越辐射可以获得入射粒子的γ信息。对于给定能量(E)的粒子，在不同的质量(m)下，具有不同的γ＝E/m。因而，通过对穿越辐射的探测就能实现粒子鉴别。对于能量极高的粒子，速度非常接近光速，彼此之间的速度差异极小，依靠速度测量(如飞行时间或切伦科夫)已不能实现粒子鉴别。但它们的γ差异在高能情况下变得更显著，因而可以利用穿越辐射进行粒子鉴别。这种通过探测高能带电粒子穿越辐射的探测器被称为穿越辐射探测器(Transition RadiationDetector，TRD)。

早期的高能物理实验常使用气体探测器作为TRD，使用气体作为工作介质，利用入射粒子在气体中产生的电离效应探测带电粒子，如多丝正比室(Micro-Wire ProportionalChamber，MWPC)。其特点为：物质量小，对被测粒子的影响很小，可以获得较快的时间响应和较好的空间分辨，探测器的灵敏体积大小和形状受限制很小，以有较长的工作寿命，造价低廉，可以大面积制作。以MWPC为放大单元的TRD结构和原理示意图如图1所示，由辐射体和MWPC组成。高能带电粒子(如π介子和电子)穿过辐射体产生穿越辐射光，穿越辐射光子穿过MWPC的灵敏体积。MWPC由阴极丝平面和中间的阳极丝面构成，并密封在一个室体中，充有工作气体。阳极面和阴极面之间加有工作电压，形成一定的电场分布，形成了MWPC的灵敏体积。入射穿越辐射光子穿过MWPC的灵敏体积，将工作气体电离，产生电子离子对。电离产生的电子和正离子在电场作用下分别朝阳极和阴极漂移。电子漂移到阳极丝附近的高电场区域后产生气体雪崩放大。气体放大过程产生的电子被阳极迅速收集，而正离子则朝阴极“缓慢”漂移，并输出电流信号。

然而随着高能粒子物理和核物理研究的发展，对加速器和探测器系统的性能指标要求也在不断提高，主要体现在高亮度(高计数率)、高时间响应、高位置分辨等方面，传统的MWPC探测器已经无法满足实验要求，例如：由于电子在MWPC阳极丝附近发生雪崩产生的阳离子漂移速度“缓慢”，因而在入射粒子计数率高的条件下，由于阳离子大量阳离子不能及时被阴极丝收集而造成空间电荷效应，使MWPC的增益降低。对于软X射线的探测，MWPC能够承受的计数率约为1kHz/mm²，而现代高能物理实验中对探测器计数率能力的要求远高于此数值。在探测器灵敏部分颗粒度而言，所有基于丝读出的气体探测器丝距密度只能达到1mm(1维)左右，其平均横向位置分辨约为400-600微米，而轴向分辨约2mm，而未来实验中TRD的二维位置分辨能力要求达到百微米量级。因此，借鉴于半导体探测器上的精细加工技术(几十微米量级)及其高度集成的读出电子学系统，新一代的微结构气体探测器(Micro-Pattern Gaseous Detector，MPGD)应运而生，这些探测器不仅位置分辨高(几十到一百微米量级)，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。

比如厚型气体电子倍增器(Thick gas electron multiplier，THGEM)被提出作为TRD。厚型气体电子倍增器(THGEM)是2004年由R.Chechik等人发明的一种微结构气体探测器。THGEM通常由双面覆铜的PCB基材加工而来。THGEM膜的PCB基材厚度在0.2mm～0.8mm之间，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。孔的直径在0.2mm～0.8mm之间，由于钻孔会导致孔边缘的铜边缘卷曲、尖锐和有毛刺，需要用化学方法刻蚀掉孔边缘的铜，产生一个环形的无铜区域(RIM)，RIM宽度在10μm～0.2mm之间。THGEM的二维位置分辨能力～200μm，具有很好的计数率能力。但是将THGEM作为TRD也存在一些缺点，比如：(1)通常为达到所需要的有效增益，一个THGEM探测器需要三层THGEM膜级联的工作模式，这样会增加探测器的整体厚度和机械结构的复杂度，装配难度增加；(2)TRD需要使用氙气作为灵敏介质来实现对穿越辐射光子的有效探测，三层级联的THGEM探测器使用氙气为工作气体时THGEM膜上所需的工作电压最高需要达到5000V至6000V，在这样的高压下THGEM的铜电极容易发生打火放电而损坏电极以及读出电子学设备；(3)在THGEM膜的加工过程中需要使用化学刻蚀方法去除孔边缘的铜，RIM宽度难以控制，尤其是在制作大面积THGEM时，而RIM的宽度对探测器的增益影响很大，刻蚀的不均匀会极大地影响探测器的增益的均匀性；(4)THGEM由于在工作时由于电荷在RIM上堆积会导致且探测器的增益随着电荷的堆积而变化，即探测器的增益不稳定。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，以缓解现有技术中探测器的结构复杂，装配难度大；探测器所需工作电压高，容易打火放电；探测器的增益均匀性和稳定性不好等技术问题。

(二)技术方案

在本公开实施例中，步骤S1包括：

子步骤S11：制备读出电极PCB板；以及

子步骤S12：在读出电极PCB表面沉积DLC薄膜层。

在本公开实施例中，步骤S4包括：

子步骤S41：选取PCB基材并在其表面沉积DLC薄膜；以及

子步骤S42：在沉积DLC薄膜后的PCB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，步骤S3中，通孔直径0.5mm～3mm，盲孔直径1mm～5mm，盲孔深度小于连接层PCB板的厚度。

在本公开实施例中，步骤S4中，孔阵列的孔直径通常为0.2mm～0.8mm，孔间距0.4～1.6mm。

在本公开实施例中，读出电极PCB板的中间层包括多条二维的互相垂直的读出电极条构成的读出电极层，所述读出电极层包括上读出电极层和下读出电极层，设置于中间层的不同层面。

在本公开实施例中，上读出电极层的上读出电极条通过过孔连接到读出电极PCB板表面。

在本公开实施例中，上读出电极层和下读出电极层之间绝缘层厚度为70μm～200μm。

在本公开实施例中，读出电极条的宽度在80μm～1mm，上读出电极条的宽度小于下读出电极条的宽度。

在本公开实施例中，相邻读出电极条的间距200μm～2mm。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)可实现对入射粒子的精确二维位置分辨；

(2)可有效抑制探测器在工作时的打火放电现象，使探测器能够在高增益下稳定工作；

(3)能够保证金属电极到接地点具有足够大的安全距离，因此制备方法容错性很高；

(4)能够大幅度简化放大单元的加工制作，提高成品率，降低加工成本。

附图说明

图1为现有技术中以MWPC为放大单元的TRD结构和原理示意图。

图2为本公开实施例应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法的流程示意图。

图3为本公开实施例所制备的读出电极PCB板的结构示意图；其中，图3(a)为侧视结构示意图；图3(b)为俯视结构示意图。

图4为本公开实施例在读出电极PCB板表面沉积DLC薄膜层后的结构示意图。

图5为本公开实施例制备的连接层PCB板的结构示意图。

图6为本公开实施例将连接层PCB板粘接在读出电极PCB上后的结构示意图。

图7为本公开实施例在图6所示的连接层PCB板表面以及通孔壁上沉积DLC薄膜后的结构示意图。

图8为本公开实施例在放大单元的PCB基材表面沉积DLC薄膜后的结构示意图。

图9为本公开实施例制备的放大单元PCB板的结构示意图。

图10为在图7所示的连接层PCB板的通孔中填充环氧树脂胶后的结构示意图。

图11为本公开实施例制备的用于穿越辐射探测器的放大单元的截面结构示意图。

图12为本公开实施例制备的用于穿越辐射探测器的放大单元的立体结构示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，所述制备方法工艺简单、可靠，所制备的探测器对高能粒子探测的增益高、增益均匀性和稳定性好、二维位置分辨能力好、能承受很高的粒子辐照计数率，可克服现有的穿越辐射探测器的主要缺点和不足之处。

本公开所述制备方法所制备的应用于穿越辐射探测器的放大单元，为保证探测器的增益，其放大单元使用阻性电极提供电场，阻性电极相比金属电极能够耐受更高的电压而不打火放电，阻性材料为类金刚石碳基薄膜(Diamond-like Carbon，DLC)，DLC通过磁控溅射方法沉积到绝缘材料表面，读出电极采用现有的PCB工艺生产。放大单元的孔结构也是使用PCB生产工艺中的机械钻孔技术。为保证读出电极板与盲孔放大区的耦合平整可靠，引入了中间连接层PCB板。这种阻性井型探测器结构示意图如图12所示，图中所示结构通过一定的机械结构密封固定在充满工作气体(主要为惰性气体)的气室中，探测器主要由漂移电极和阻性井型放大单元组成。阻性井型放大单元的主体材料为绝缘基材，绝缘基材的上表面覆盖有一层阻性DLC作为阻性电极，井型放大单元与读出电极PCB耦合在一起，读出电极PCB(信号读出电极)的表面有一层接地阻性层，用于收集和泄放雪崩电荷。其中绝缘基材厚度约0.2mm～1mm，表面的阻性材料厚度为百纳米量级，基材上有六角密排分布的孔，孔直径约0.2mm～0.8mm。工作时，漂移电极和放大单元上的阻性电极加有电压，读出电极PCB上的阻性层接地，使漂移区具有一定电场，而盲孔有聚焦电场的作用，电场强度很高。当高能带电粒子或光子进入漂移区时，会在使工作气体电离产生原初电子，原初电子在电场的作用下进入孔中，在孔内的强电场的作用下发生雪崩放大，雪崩放大产生的大量电子朝读出电极方向漂移时会在读出电极上感应出信号，信号通过一定的读出电子学采集用于分析入射粒子的特性。

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，提供一种应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，结合图2至图12所示，所述制备方法，包括：

步骤S1：制备读出电极PCB板并在其表面沉积DLC薄膜层；包括：

子步骤S11：制备读出电极PCB板；以及

在本公开实施例中，读出电极PCB板的板厚度为3mm，通过PCB工艺生产，如图3所示，其中间层包括二维的互相垂直的条状读出电极构成的读出电极层，分为上读出电极层和下读出电极层，设置于中间层的不同层面，中间由厚70μm的绝缘层隔开，其中(一维)上读出电极层的上读出电极条通过过孔连接到读出电极PCB板表面，其读出电极(铜)条的宽度在80μm；下读出电极层的下读出电极条宽度为320μm，同层读出电极相邻的电极条与电极条之间的距离为400μm。

在本公开中，所述读出电极PCB板的厚通常在0.4mm～5mm，读出电极层的铜条宽度在80μm～1mm，相邻条间距200μm～2mm，两层读出电极层的层与层之间绝缘层厚度为70μm～200μm，具体参数根据应用需求而定。

子步骤S12：在读出电极PCB表面沉积DLC薄膜层；

使用磁控溅射设备在读出电极PCB基材表面镀DLC薄膜层，参照图4所示，DLC薄膜层的面电阻率为1MΩ/□～1GΩ/□，厚度100nm～1μm。本实施案例中使用的磁控溅射设备为Hauzer850，设备参数包括：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，乙炔流量6.5sccm，高纯石墨靶功率7.5kW，沉积时间为150min。DLC沉积完成后，检测其面电阻率为60MΩ/□。

步骤S2：制备连接层PCB板；

使用PCB工艺生产连接层PCB，所述连接层PCB中包括盲孔和通孔，如图5所示。通常板厚为150μm～1mm，通孔直径0.5mm～3mm，盲孔直径1mm～5mm，盲孔深度小于板厚。本实施案例中优选厚度为0.2mm，通孔直径2mm，盲孔直径为5mm、深度为0.1mm。

步骤S3：将步骤S2所制备的连接层PCB板粘接在步骤S1所制备的读出电极PCB上，使连接层PCB板上的盲孔与读出电极PCB上的过孔对齐，并在连接层PCB板表面及通孔壁上沉积DLC薄膜；

将图5所示连接层PCB板通过环氧树脂胶粘接在图4所示读出电极PCB上，连接层PCB上的盲孔与读出电极上的过孔对齐，从而保证粘接平整，结果如图6所示。

使用磁控溅射设备在连接层PCB板表面及通孔侧壁上沉积一层一定电阻率的DLC薄膜，DLC面电阻率为1MΩ/□～1GΩ/□，厚度100nm～1μm。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^-3mbar，氩气流量200sccm，乙炔流量6.5scem，高纯石墨靶功率7.5kW，沉积时间为150min。DLC沉积完成后，检测其面电阻率为60MΩ/□；结果如图7所示。

步骤S4：制作放大区PCB板；

子步骤S41：选取PCB基材并在其表面沉积DLC薄膜；以及

选取一定厚度的PCB基材，厚度一般为0.2mm～1mm，本实施案例中厚度为0.4mm。在PCB基材表面沉积用磁控溅射设备沉积极低电阻率的DLC薄膜，电阻率小于1kΩ/□，DLC面电阻率为1Ω/□～1kΩ/□，厚度100nm～1μm。本实施案例中使用的磁控溅射设备为Hauzer850，设备参数为：高纯石墨靶功率4kW，高纯Cr靶功率4kW，高纯铜靶功率4kW，沉积时间为10min；氩气流量200sccm，样品腔内初始真空度5×10^-5Torr。镀膜完成后，经检测PCB基材表面DLC面电阻率为1Ω/□。

子步骤S42：在沉积DLC薄膜后的PCB基材上制备孔阵列，完成放大区PCB板的制备；

如图8所示，子步骤S41后，使用机械钻孔的方法在PCB上钻六角密排的孔，孔直径通常为0.2mm～0.8mm，孔间距0.4～1.6mm，本实施案例中孔直径为0.5mm，孔间距为1mm。

步骤S5：在连接层PCB板的通孔中填充环氧树脂胶后与步骤S4所制备的放大区PCB板粘接，完成用于穿越辐射探测器的放大单元的制备。

如图10所示，在步骤S3后的(图7所示)连接层PCB板上的通孔中涂环氧树脂胶，利用孔中的胶将步骤S4后的(图9所示)放大区PCB板粘接到连接层PCB上，如图11所示，完成用于穿越辐射探测器的放大单元的制备。

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应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，该制备方法所制备的探测器可实现对粒子的能量和二维位置探测，有效增益高，且增益均匀性好；探测器可实现高增益下稳定工作。本发明中的探测器放大单元，采用了阻性电极，阻性电极通过磁控溅射法制备，电阻率均匀可控。相比于传统的金属电极，可有效抑制探测器在工作时的打火放电现象，使探测器能够在高增益下稳定工作；采用了中间连接层和读出电极PCB表面双阻性层结构，能够及时有效泄放探测器工作时产生的电荷，保证金属电极到接地点具有足够大的安全距离，因此制备方法容错性很高；采用了低阻DLC作为井型孔上方的电极，不需要在孔周围留空白的环形区域(RIM)，可有效抑制探测器工作时可能发生的打火放电现象，因此能够大幅度简化放大单元的加工制作，提高成品率，降低加工成本。

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

1.一种应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，包括：

步骤S1：制备读出电极PCB板并在其表面沉积DLC薄膜层；

步骤S2：制备连接层PCB板；

步骤S3：将步骤S2所制备的连接层PCB板粘接在步骤S1所制备的读出电极PCB上，使连接层PCB板上的盲孔与读出电极PCB上的过孔对齐，并在连接层PCB板表面以及通孔壁上沉积DLC薄膜；

步骤S4：制作放大区PCB板；以及

2.根据权利要求1所述的应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，步骤S1包括：

子步骤S11：制备读出电极PCB板；以及

子步骤S12：在读出电极PCB表面沉积DLC薄膜层。

3.根据权利要求1所述的应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，步骤S4包括：

子步骤S41：选取PCB基材并在其表面沉积DLC薄膜；以及

4.根据权利要求1所述的应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，步骤S3中，通孔直径0.5mm～3mm，盲孔直径1mm～5mm，盲孔深度小于连接层PCB板的厚度。

5.根据权利要求3所述的应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，步骤S4中，孔阵列的孔直径通常为0.2mm～0.8mm，孔间距0.4～1.6mm。

6.根据权利要求1所述的应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，读出电极PCB板的中间层包括多条二维的互相垂直的读出电极条构成的读出电极层，所述读出电极层包括上读出电极层和下读出电极层，设置于中间层的不同层面。

7.根据权利要求6所述的应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，上读出电极层的读出电极条通过过孔连接到读出电极PCB板表面。

8.根据权利要求6所述的应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，上读出电极层和下读出电极层之间绝缘层厚度为70μm～200μm。

9.根据权利要求6所述的应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，读出电极条的宽度在80μm～1mm，上读出电极条的宽度小于下读出电极条的宽度。

10.根据权利要求6所述的应用于穿越辐射探测器的放大单元的制备方法，相邻读出电极条的间距200μm～2mm。