CN111613498A - 使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，包括：步骤S1：制备阻性电极的PCB；步骤S2：制备读出电极PCB；步骤S3：制备放大区PCB；步骤S4：将阻性电极PCB与放大区PCB粘合在一起形成阻性井型结构；以及步骤S5：将读出电极PCB与步骤S4制备的阻性井型结构进行组装，完成使用分离式读出电极的阻性井型探测器的制备。其可以有效缓解现有技术中探测器和电子学板难以拆卸，制作和安装的难度高，成品率较低，研制与维护成本加大等技术问题。

Description

使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法

技术领域

本公开涉及数字强子量能器及探测器技术领域，尤其涉及一种使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法。

背景技术

在高能物理领域，对撞机实验是一种用以探索微观粒子以及寻找新物理的重要手段，对撞后产生的一些末态粒子在各个类型的探测器中有响应，即各探测器能记录特定的末态粒子的运动轨迹。随着对撞机能量以及亮度的不断提高，探测器需要在极端的条件下工作，这对探测器的性能提出了挑战。而在未来的对撞机实验中，由于传统的量能器对喷注的能量分辨率已经到达极限。因此，如何进一步提高喷注的能量分辨率成为一大难点，而这也推动了探测器技术的发展。经过不断的发展，研究人员提出一种基于粒子流算法的探测器系统，其核心是由各个子探测器系统测量对其灵敏的末态粒子，能够跟踪粒子在探测器内的发展。对于量能器系统而言，一种高颗粒度的量能器系统能够对不同的喷注进行有效地区分，提高对喷注的能量分辨率。高颗粒度的量能器系统是由一层吸收体一层灵敏探测器反复交叠构成，是一种取样型量能器，其结构如图1所示。对于强子量能器，不锈钢因其具有合适的核相互作用长度而被选为吸收体，灵敏探测器则有多种候选方案，比如闪烁体探测器以及气体探测器等等。气体探测器由于能量沉积涨落大，适合数字以及半数字读出，可以作为未来对撞机实验中数字或者半数字强子量能器灵敏探测器的候选方案。考虑探测器系统造价以及性能等因素，一般要求灵敏探测器具有均匀性好、增益高、死区小以及结构要紧凑等。

现阶段，微结构气体探测器(Micro-Pattern Gaseous Detector，MPGD)由于较好的位置分辨、造价低、易于大面积制作以及级联使用方便等特点而在高能物理领域得到了广泛应用。同时，为了适应于不同的应用场合，微结构气体探测器也在不断地发展。以厚型气体电子倍增器(Thick GasElectron Multiplier，THGEM)为例，通常是2～3片THGEM膜级联使用，而为了使探测器结构变得简单以及更易于制作，微结构气体探测器领域的研究人员在此基础上发展了阻性板井型探测器(Resistive Plate WELL，RPWELL)如图2a所示，以及阻性井型探测器(Resistive WELL，RWELL)，如图2b所示。对于强子能量器的应用需求，阻性井型结构的气体探测器因其结构简单等优点而显得更具竞争力。因此，在预研的对撞机实验中井型探测器是作为数字强子量能器灵敏探测器的候选者。结合高颗粒度的需求，需要对探测器的读出阳极板进行精细的划分。研究表明，尺寸为1cm×1cm的读出单元通常能满足物理需求，而这对于一个探测器尺寸为100cm×50cm的单个探测器而言需要5000路读出通道。而为了保证结构的紧凑性，需要将读出电子学直接集成在读出电极PCB上，这给大面积的探测器制作以及读出电子学在读出电极PCB上的安装带来了极大的困难。例如，探测器和ASIC芯片集成式的阳极板采用如图2a或图2b所示的使用胶进行粘接的方法，导致的结果是粘接之后探测器和电子学板难以拆卸，不仅会提高制作和安装的难度，降低成品率，还会极大地提高探测器系统的研制与维护成本。因此，需要一种新的耦合方式使得探测器与集成了读出电子学的阳极板可分离，从而简化探测器系统的安装制作过程，并降低造价。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，以缓解现有技术中探测器和电子学板难以拆卸，制作和安装的难度高，成品率较低，研制与维护成本加大等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，包括：

步骤S1：制备阻性电极的PCB；

步骤S2：制备读出电极PCB；

步骤S3：制备放大区PCB；

步骤S4：将阻性电极PCB与放大区PCB粘合在一起形成阻性井型结构；以及

步骤S5：将读出电极PCB与步骤S4制备的阻性井型结构进行组装，完成使用分离式读出电极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：制备阻性电极的PCB基板；以及

子步骤S12：在阻性电极的PCB基板工作区一面沉积DLC薄膜。

在本公开实施例中，所述步骤S3，包括：

子步骤S31：制备放大区PCB基板；

子步骤S32：在放大区PCB基板的一面制备DLC层；以及

子步骤S33：在子步骤S32所制备的DLC薄膜上钻通孔和盲孔。

在本公开实施例中，所述步骤S4包括：

子步骤S41：在放大区PCB的DLC薄膜的盲孔中放置环氧树脂胶；以及

子步骤S42：将阻性电极PCB上的通孔与放大区PCB的DLC薄膜上的盲孔对齐后粘在一起。

在本公开实施例中，所述步骤S5，包括：

子步骤S51：将阻性井型结构与读出电极以漂移电极通过安装孔使用螺丝与支撑框架及不锈钢板组装在一起；以及

子步骤S52：增加探测器内部工作气压，将阻性井型结构紧紧的压在读出电极上，利用气压实现阻性电极与读出电极板耦合。

在本公开实施例中，所述阻性电极的PCB基板工作区有过孔，过孔直径为0.2mm～2mm；过孔间的间距为1cm～10cm。

在本公开实施例中，与过孔相连的金属Pad直径为0.4mm～4mm。

在本公开实施例中，所述通孔直径为0.2mm～1mm；通孔之间的间距为0.4mm～2mm。

在本公开实施例中，所述盲孔直径为2mm～5mm；深度为0.1mm～0.5mm；盲孔间距与阻性电极PCB上过孔的间距相同。

在本公开实施例中，所述DLC层面电阻率为1Ω/□～100Ω/□。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开使用分离式读出电极的阻性井型探测器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)提升了探测器的抑制打火的能力；

(2)能极大地提高探测器的增益等性能的稳定性；

(3)探测器即使在很高的入射粒子计数率条件下，阻性电极、上也不会有电荷堆积，从而探测器具有很高的计数率能力；

(4)简化探测器系统的安装制作难度，而且可以大幅度降低探测器系统的造价与维护成本。

附图说明

图1为现有技术中取样型量能器的结构示意图。

图2为现有技术中具有井型结构的微结构气体探测器的结构示意图，其中图2a为阻性板井型探测器的结构示意图；图2b为阻性井型探测器的结构示意图。

图3为本公开实施例使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法中PCB基板及其剖面结构示意图。

图4为本公开实施例使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法中阻性电极PCB基板的工作区及其剖面结构示意图。

图5为本公开实施例使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法中读出电极PCB的工作区及其剖面结构示意图。

图6为本公开实施例使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法中阻性电极PCB的工作区沉积DLC薄膜后的剖面结构示意图。

图7为本公开实施例使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法中放大区PCB基板的工作区沉积DLC层后的剖面结构示意图。

图8为在图7所示的放大区PCB的DLC层加工通孔和盲孔后的剖面结构示意图。

图9为图8所示的放大区PCB的DLC层的盲孔中放置环氧树脂胶后的剖面结构示意图。

图10为图9所示的放大区PCB与图6所示阻性电极PCB粘合完成后工作区的剖面结构示意图。

图11为本公开实施例使用分离式读出电极的阻性井型探测器的整体结构示意图。

图12为本公开实施例使用分离式读出电极的阻性井型探测器的工作区的剖面结构示意图。

图13为本公开实施例使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法的流程示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，目的在于提供一种无读出电极的阻性井型探测器的制作方法及其与集成了读出电子学的读出电极PCB的耦合方法。使用本公开提供的技术方案制作出来的探测器能够很好的满足应用于强子量能器所需要的性能要求；而集成了读出电子学的读出电极PCB具有小型化，模块化，可更换的特点，不仅能够有效的简化探测器系统的安装制作难度，而且可以大幅度降低探测器系统的造价与维护成本，为微结构气体探测器在数字强子量能器方面的应用提供技术支持。本公开中所采用的探测器为阻性井型探测器，包括一块单面THGEM膜、一块阻性电极PCB、一块漂移电极以及一层不锈钢板等。

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。

本公开中所采用的探测器为阻性井型探测器，包括一块单面THGEM膜、一块阻性电极PCB、一块漂移电极以及一层不锈钢板等。其中THGEM膜上表面通过磁控溅射方法沉积具有低面电阻率的类金刚石碳基薄膜(Diamond-like Carbon，DLC)，用来加高压，面电阻率为1Ω/□～100Ω/□；THGEM PCB参数如下：厚度0.2mm～1mm、孔径0.2mm～1mm、孔间距0.4mm～2mm；阻性电极PCB上镀通过磁控溅射方法沉积具有一定面电阻率的DLC薄膜，其作用是防止因放电打火损坏倍增器件以及读出电子学元器件，面电阻率为1MΩ/□～1GΩ/□。同时阻性电极PCB上有过孔，由于在安装完成后与过孔相连的金属Pad会跟读出电极相连，因此高阻DLC上的电荷可通过DLC连接至过孔实现快速泄放。

在本公开实施例中，先使用标准PCB工艺制作用于制作阻性电极的PCB基板，放大区PCB(简称THGEM PCB)基板，与读出电极PCB基板。三款PCB基板有相似的结构，中间为工作区，PCB周围有用于机械安装的通孔，如图3所示。

在本公开实施例中，提供一种使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，结合图3至图13所示，所述制备方法，包括：

步骤S1：制备阻性电极的PCB；

步骤S1，包括：

子步骤S11：制备阻性电极的PCB基板；

用于制作阻性电极的PCB厚度为0.15mm～0.4mm，优选为0.2mm，

所述阻性电极的PCB基板工作区有等间距的直径为0.2mm～2mm的过孔，优选为1mm，与过孔相连的金属Pad直径为0.4mm～4mm，优选为2mm，孔间距根据应用需求而定，可以为1cm～10cm，优选为2cm；工作区面积为25cm×25cm；工作区的局部放大示意图如图4所示。

子步骤S12：在阻性电极的PCB基板工作区一面沉积DLC薄膜；

使用磁控溅射设备在用于制作阻性电极PCB的工作区一面沉积电阻率为1MΩ/□～1GΩ/□的DLC薄膜，优选为100MΩ/□。如图6所示。

步骤S2：制备读出电极PCB；

读出电极PCB工作区示意图如图5所示，所述读出电极PCB上表面为读出电子学元器件，下表面为金属读出电极，读出电极形状根据具体应用确定，本实施例中使用块状读出电极。

步骤S3：制备放大区PCB；

放大区PCB厚度为0.2mm～1mm，优选为0.5mm；

所述步骤S3，包括：

子步骤S31：制备放大区PCB基板；

子步骤S32：在放大区PCB基板的一面制备DLC层；

在THGEM PCB一面通过磁控溅射法沉积面电阻率为1Ω/□～100Ω/□的DLC层，优选为1Ω/□，如图7所示。

子步骤S33：在子步骤S32所制备的DLC薄膜上钻通孔和盲孔；

在THGEM PCB上钻孔，如图8所示。一种孔为完全贯穿的通孔，用于电子雪崩放大倍增，直径为0.2mm～1mm，优选0.5mm；通孔之间的间距为0.4mm～2mm，优选1mm；另外一种为盲孔，盲孔直径为2mm～5mm，优选3mm；深度为0.1mm～0.5mm，优选为0.1mm，盲孔间距跟阻性电极PCB上过孔的间距相同，优选2cm。

步骤S4：将阻性电极PCB与放大区PCB粘合在一起形成阻性井型结构；

所述步骤S4包括：

子步骤S41：在放大区PCB的DLC薄膜的盲孔中放置环氧树脂胶；

首先在放大区PCB上的盲孔中放置环氧树脂胶，如图9所示。

子步骤S42：将阻性电极PCB上的通孔与放大区PCB的DLC薄膜上的盲孔对齐后粘在一起；

步骤S5：将读出电极PCB与步骤S4制备的阻性井型结构进行组装，完成使用分离式读出电极的阻性井型探测器的制备；

所述步骤S5，包括：

子步骤S51：将阻性井型结构与读出电极以漂移电极通过安装孔使用螺丝与支撑框架及不锈钢板组装在一起；

将图10所示的步骤S4制备的阻性井型结构与图5所示读出电极以漂移电极通过安装孔使用螺丝及探测器框架组装在一起；不锈钢板厚度根据具体应用需求决定，本实施例中为3mm，支撑框架厚度根据具体应用需求决定，本实施例中为5mm。如图11所示为探测器整体示意图，图12为探测器工作区放大局部示意图。

子步骤S52：增加探测器内部工作气压，将阻性井型结构紧紧的压在读出电极上，利用气压实现阻性电极与读出电极板耦合。

增加探测器内部工作气压，由于密封的探测器腔室内的气压大于外侧，会将阻性井型结构紧紧的压在读出电极上；井型孔内的雪崩电子朝阻性电极PCB漂移时会在读出Pad上产生感应信号。利用气压实现阻性电极与读出电极板耦合，漂移电极外侧的不锈钢板用于起支撑作用，并在数字强子量能器的应用中用于产生强子簇射。

本公开的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法提升了探测器的抑制打火的能力。本公开所制作的新型RWELL放大区电极以阻性DLC电极取代传统的铜电极，使得RWELL能够在施加足够高工作电压工作达到足够增益的情况下，电极不会发生打火放电，从而避免了探测器在工作时由于打火放电而损坏，同时能防止探测器的读出电子学系统不会由于过大的电流而损坏。

本公开的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法能极大地提高探测器的增益等性能的稳定性。RWELL相比于常规的金属电极的RPWELL或RWELL，井型孔的上表面完全有低阻DLC覆盖，不存在RIM区域，因此当探测器工作时不会有因为电荷堆积造成的长期充电效应，从而保证了探测器长期工作时增益能持续保持稳定。

本公开的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法简单，采用DLC材料作为电极，避免了在金属电极上制备RIM区域所需的复杂的化学刻蚀工艺，简化了工艺，能够以更低成本制作出大面积大尺寸的探测器。

本公开的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法中探测器阻性电极PCB上有过孔，由于在安装完成后与过孔相连的金属Pad会跟读出电极相连，因此高阻DLC上的电荷可通过DLC连接至过孔实现快速泄放，因此探测器即使在很高的入射粒子计数率条件下，阻性电极、上也不会有电荷堆积，从而探测器具有很高的计数率能力。

本公开的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法中的探测与读出电子学通过探测器内部的气体压力耦合，与传统的使用胶粘的方法相比，简化探测器系统的安装制作难度，而且可以大幅度降低探测器系统的造价与维护成本。

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使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，用磁控溅射方法镀的低阻DLC作为THGEM的高压电极，在阻性电极PCB上镀高阻DLC，通过过孔与高阻DLC实现电荷快速泄放，利用气体压力实现探测器与阳极板的耦合，利用部分吸收体作为探测器的机械支撑，简化探测器系统的安装制作过程，并降低造价。

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 (10)

1.一种使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，包括：

步骤S1：制备阻性电极的PCB；

步骤S2：制备读出电极PCB；

步骤S3：制备放大区PCB；

步骤S4：将阻性电极PCB与放大区PCB粘合在一起形成阻性井型结构；以及

步骤S5：将读出电极PCB与步骤S4制备的阻性井型结构进行组装，完成使用分离式读出电极的阻性井型探测器的制备。

2.根据权利要求1所述的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，所述步骤S1，包括：

子步骤S11：制备阻性电极的PCB基板；以及

子步骤S12：在阻性电极的PCB基板工作区一面沉积DLC薄膜。

3.根据权利要求1所述的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，所述步骤S3，包括：

子步骤S31：制备放大区PCB基板；

子步骤S32：在放大区PCB基板的一面制备DLC层；以及

子步骤S33：在子步骤S32所制备的DLC薄膜上钻通孔和盲孔。

4.根据权利要求1所述的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，所述步骤S4包括：

子步骤S41：在放大区PCB的DLC薄膜的盲孔中放置环氧树脂胶；以及

子步骤S42：将阻性电极PCB上的通孔与放大区PCB的DLC薄膜上的盲孔对齐后粘在一起。

5.根据权利要求1所述的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，所述步骤S5，包括：

子步骤S51：将阻性井型结构与读出电极以漂移电极通过安装孔使用螺丝与支撑框架及不锈钢板组装在一起；以及

子步骤S52：增加探测器内部工作气压，将阻性井型结构紧紧的压在读出电极上，利用气压实现阻性电极与读出电极板耦合。

6.根据权利要求2所述的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，所述阻性电极的PCB基板工作区有过孔，过孔直径为0.2mm～2mm；过孔间的间距为1cm～10cm。

7.根据权利要求6所述的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，与过孔相连的金属Pad直径为0.4mm～4mm。

8.根据权利要求3所述的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，所述通孔直径为0.2mm～1mm；通孔之间的间距为0.4mm～2mm。

9.根据权利要求3所述的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，所述盲孔直径为2mm～5mm；深度为0.1mm～0.5mm；盲孔间距与阻性电极PCB上过孔的间距相同。

10.根据权利要求3所述的使用分离式读出电极的阻性井型探测器制备方法，所述DLC层面电阻率为1Ω/□～100Ω/□。

Images