CN113433580A - 气体探测器制作方法、气体探测器及射线探测装置 - Google Patents
气体探测器制作方法、气体探测器及射线探测装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种气体探测器制作方法、气体探测器及射线探测装置，包括制作信号读出板，在下层绝缘层上端面制作金属读出电极，在金属读出电极的上端面覆盖上层绝缘层；压合信号读出板和表面处理，将信号读出板压合在基板上，并使上层绝缘层上远离基板的一侧呈平面；制作阻性阳极电极，在信号读出板的上端面制作阻性层，在阻性层的上端面的外周固定低阻电极环；制作探测器放大组件，将支撑框固定在低阻电极环的上端，并使支撑框完全覆盖低阻电极环，将微网电极固定在支撑框的上端。该气体探测器制作方法、气体探测器及射线探测装置能够实现低本底、高分辨的射线粒子探测。
Description
技术领域
本发明涉及探测装置技术领域，具体是涉及一种气体探测器制作方法、气体探测器及射线探测装置。
背景技术
低放射性本底粒子探测器(LBD)在科学研究、核能应用、环境及食品污染检测方面有着非常广泛的应用。例如，在稀有事例搜寻的科学研究实验NEXT中，特殊定制的低本底光电倍增管(LBPMT)、硅光电倍增管(SiPM)等被用于粒子能量和离子径迹的测量。在环境及食品污染检测中，采用多丝正比室、闪烁体探测器、半导体探测器等测量待检材料的α和β放射性。而在一些特定的应用场景中，要求探测器既具有低放射性本底，也同时具备较高的能量和位置分辨能力。比如在基于高气压时间投影室(HP-TPC)原理的PandaX-III科学实验中，计划采用微刻方法制作的微网格气体探测器(Micro-bulk Micromegas)作为能量和径迹测量探测器。
现有的α射线和β射线检测装置中，尽管能够通过低放射性材料实现低本底，但由于低放射性材料本身质地、形态的限制，造成加工工艺复杂，且现有的α射线和β射线的检测装置分辨率低，难以进行α射线和β射线的探测。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体探测器制作方法、气体探测器及射线探测装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现低本底、高分辨的射线粒子探测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种气体探测器制作方法，包括以下步骤：
S1：制作信号读出板，在下层绝缘层上端面制作金属读出电极，在所述金属读出电极的上端面覆盖上层绝缘层；
S2：压合所述信号读出板和表面处理，将所述信号读出板压合在基板上，并使所述上层绝缘层上远离所述基板的一侧呈平面；
S3：制作阻性阳极电极，在所述信号读出板的上端面制作阻性层，在所述阻性层的上端面的外周固定低阻电极环；
S4：制作探测器放大组件，将支撑框固定在所述低阻电极环的上端，并使所述支撑框完全覆盖所述低阻电极环，将微网电极固定在所述支撑框的上端。
优选地，S1步骤中，采用微纳加工方法直接在所述下层绝缘层上制作金属读出电极。
优选地，S2步骤中，在所述基板的上端面均匀涂覆一层环氧树脂胶，并将所述信号读出板粘贴在所述基板的上端面，利用平板压机压合，待环氧树脂胶固化后，利用高数目砂纸对所述信号读出板的上端面打磨抛光形成所述平面，且所述平面的表面粗糙度小于1微米。
本发明还提供了一种气体探测器，包括信号读出板、基板、阻性阳极电极和探测器放大组件，所述探测器放大组件、所述阻性阳极电极、所述基板和所述信号读出板在竖直方向上依次堆叠固定，且所述探测器放大组件位于最上端；所述探测器放大组件包括支撑框和微网电极，所述支撑框固定在所述阻性阳极电极的上端面，且所述微网电极固定于所述支撑框的上端面；所述信号读出板包括由上至下依次堆叠的上层绝缘层、金属读出电极和下层绝缘层，所述金属读出电极用于形成读出电路，所述上层绝缘层和所述下层绝缘层均用于隔离所述金属读出电极与外界，且所述上层绝缘层上远离所述基板的一表面为平面。
优选地，所述金属读出电极为PCB覆铜电极或微纳加工镀膜电极，且所述金属读出电极的厚度不高于25微米；所述绝缘层为聚乙烯薄膜或聚酰亚胺薄膜，所述绝缘层的厚度为25-500微米。
优选地，所述基板为无氧铜板，且所述基板的厚度为2-10mm，所述信号读出板固定在所述基板的上端面。
优选地，所述阻性阳极电极包括低阻电极环和阻性层，所述低阻电极环固定在所述阻性层上端面，且靠近所述阻性层的周向边沿设置，所述阻性层固定在所述信号读出板的上端面；所述阻性层为锗薄膜或类金刚石薄膜；所述低阻电极环为镀银薄层或镀铬薄层。
优选地，所述支撑框为PET材料制成，且所述支撑框完全覆盖所述低阻电极环的上端面，所述微网电极为金属材料制成。
本发明还提供了一种射线探测装置，包括外壳、场笼、光电探测器和上述技术方案中任一项所述的气体探测器；所述外壳内设有电极，且所述外壳内形成测试腔体，所述场笼位于所述测试腔体内，且所述场笼内部与所述测试腔体连通，所述场笼内用于形成均匀漂移电场；所述光电探测器固定在所述外壳的内侧壁上，且所述光电探测器位于所述场笼的外侧壁与所述外壳的内侧壁之间，样品在所述测试腔体内产生的荧光能够穿过所述场笼的镂空部分并被所述光电探测器探测，所述光电探测器用于测量样品中粒子入射的时间零点；所述气体探测器位于所述外壳上的内底面上，且与所述阴极电极相对，所述气体探测器用于测量样品中粒子电离信号到达所述气体探测器平面的时间、位置和幅度。
优选地，还包括支撑网和有机薄膜，所述外壳的上端面开设有窗口，所述支撑网的外周固定在所述窗口的内壁上，且所述支撑网用于支撑样品，并供样品中的α射线和β射线穿过，所述有机薄膜固定在所述支撑网的下端，且所述有机薄膜固定在所述阴极电极的上端。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的气体探测器制作方法，将信号读出板压合在基板上，由于信号读出板为较薄的柔性板，利用硬度较高的基板能够保证整体结构的稳定性，并对信号读出板的上端面处理使上层绝缘层上远离基板的一侧呈平面，从而降低因金属读出电极中的缝隙造成的表面高度差，降低信号读出板表面的粗糙度，进而避免粗糙表面影响空间电场分布，以便于实现气体探测器的高分辨率；利用低放射性本底材料制作微网电极和支撑框，以实现气体探测器的低本底，将支撑框固定在低阻电极环的上端，并使支撑框完全覆盖低阻电极环，从而防止微网电极和低阻电极环之间发生打火，影响整体的使用寿命，相对于现有的通过多层GEM探测器级联或复杂的刻蚀工艺，本发明提供的气体探测器制作方法工艺简单，且成本低，可靠性高。
本发明提供的气体探测器，探测器放大组件包括支撑框和微网电极，支撑框固定在低阻电极环的上端面，能够对低阻电极环进行覆盖，防止低阻电极环和微网电极直之间发生打火现象，影响气体探测器的使用寿命，且微网电极固定于支撑框的上端面，微网电极和支撑框均为低放射性本底材料制成，从而便于实现低本底，上层绝缘层上远离基板的一表面为平面，从而降低因金属读出电极中的缝隙造成的表面高度差，降低信号读出板表面的粗糙度，进而避免粗糙表面影响空间电场分布，以便于实现气体探测器的高分辨率。
本发明提供的射线探测装置，外壳内设有阴极电极，外壳内形成测试腔体，场笼位于测试腔体内，且场笼内部与测试腔体连通，场笼内用于形成均匀漂移电场，带电粒子在漂移电场内激发工作气体；光电探测器位于场笼的外侧壁与外壳的内侧壁之间，样品在测试腔体内产生的荧光能够穿过场笼的镂空部分并被光电探测器探测，进而通过光电探测器测量带电粒子激发工作气体的荧光发射，来确定时间零点；气体探测器位于外壳上的内底面上，且与阴极电极相对，进而测量电离电子的到达时间和两维位置，综合时间和位置测量，获得三维径迹以及带电粒子在单位路径的能量损失(dE/dx)信息，且由于气体探测器对带电粒子的探测效率极好，进而提高射线探测装置的探测效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例一提供的气体探测器制作方法中S1步骤时的示意图；
图2是实施例一提供的气体探测器制作方法中S2步骤时的示意图；
图3是实施例一提供的气体探测器制作方法中S3步骤时的示意图；
图4是实施例二提供的气体探测器的结构示意图；
图5是实施例三提供的射线探测装置中有窗型的第一射线探测器的结构示意图；
图6是实施例三提供的射线探测装置中无窗型的第一射线探测器的结构示意图；
图7是实施例三提供的射线探测装置中一种入射窗口的结构示意图；
图8是实施例三提供的射线探测装置中另一种入射窗口的结构示意图；
图9是实施例三提供的射线探测装置中一种支撑网的结构示意图；
图10是实施例三提供的射线探测装置中另一种支撑网的结构示意图；
图中：100-射线探测装置，10-气体探测器，1-信号读出板，11-金属读出电极，12-绝缘层，2-基板，3-阻性阳极电极，31-低阻电极环，32-阻性层，4-探测器放大组件，41-支撑框，42-微网电极，20-外壳，30-光电探测器，40-场笼，50-样品，60-入射窗口，61-支撑网，62-有机薄膜，63-镀膜电极，64-镂空电极，70-漂移电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种气体探测器制作方法、气体探测器及射线探测装置，以解决现有的气体探测器无法实现低本底、高分辨，且工艺复杂，生产成本高的技术问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
本实施例提供一种气体探测器10的制作方法，包括以下步骤：
S1：如图1所示，制作信号读出板1，选用具有低放射性本底的材料作为绝缘层12，优选地，绝缘层12为经过化学提纯的有机薄膜(例如聚乙烯类和聚酰亚胺类)，在位于下层的绝缘层12上端面制作金属读出电极11，此制作过程可借助柔性印刷线路板工艺直接实现，金属读出电极11为不高于25微米厚度的PCB覆铜电极或微纳加工镀膜电极，在金属读出电极11的上端面覆盖位于上层的绝缘层12，位于下端的绝缘层12能够用于隔离金属读出电极11与阻性阳极电极3，避免影响读出结果的准确性，进而影响分辨率；如果需要多层交错金属读出电极11，通过重复S1步骤，或通过多层柔性PCB工艺直接完成多层交错的读出结构制作；
S2：如图2所示，压合信号读出板1和表面处理，选用一2-10mm厚度的高纯无氧铜板作为基板2，在基板2的上端面均匀涂覆一薄层环氧树脂胶，将信号读出板1粘贴在基板2上，实现信号读出板1与基板2的固定连接，进而提高信号读出板1结构的稳定性，并利用平板压合机压合，以确保尽可能低的胶量，避免影响气体探测器10的测量，同时利用环氧树脂胶填充信号读出板1上端面的缝隙，待环氧树脂胶固化，利用高数目砂纸(高于500目)打磨抛光信号读出板1的表面，降低因金属读出电极11的缝隙造成的表面高度差，使得表面粗糙度降低到1微米以下，进而避免粗糙表面影响空间电场分布，以便于实现气体探测器10的高分辨率；
S3：如图3所示，制作阻性阳极电极3，在经S2处理后的信号读出板1表面制作阻性层32，阻性层32为利用电磁或电子束加热蒸发的方法制作的高纯锗薄膜，或通过磁控溅射高纯石墨靶的方法制作的类金刚石结构碳薄膜，并控制面电阻率在10MΩ/□～10GΩ/□的范围内，然后在阻性层32的边缘处用银或铬等金属镀膜制作的低阻电极条或低阻电极环31，低阻电极条或低阻电极环31的宽度小于1mm，用于端接气体探测器10的阳极电位；
S4：如图4所示，制作探测器放大组件4，选用极低放射性本底的PET基材作为支撑框41，用来支撑微网电极42，支撑框41的宽度为2-10mm，完全覆盖低阻电极条或低阻电极环31，以防止气体探测器10发生打火，影响整体使用寿命，选用具有极低放射性本底的金属(不锈钢或铜)编织微网作为微网电极42，进而便于实现低本底的气体探测器。
实施例二
如图4所示，本实施例提供一种气体探测器10，使用实施例一中的气体探测器制作方法制作而成，包括信号读出板1、基板2、阻性阳极电极3和探测器放大组件4，探测器放大组件4、阻性阳极电极3、基板2和信号读出板1在竖直方向上依次堆叠固定，且探测器放大组件4位于最上端；探测器放大组件4包括支撑框41和微网电极42，支撑框41固定在阻性阳极电极3的上端面，且微网电极42固定于支撑框41的上端面，能够对阻性阳极电极3进行覆盖，防止低阻电极环31和微网电极42之间发生打火，影响气体探测器10的使用寿命，微网电极42和支撑框41均为低放射性本底材料制成，结合实施例一中的制作方法，从而便于实现低本底；信号读出板1包括两层绝缘层12和一层金属读出电极11，上层绝缘层、金属读出电极11和下层绝缘层在竖直方向上依次堆叠设置，金属读出电极11用于形成读出电路，上层绝缘层和下层绝缘层均用于隔离金属读出电极11与外界，且上层绝缘层上远离基板2的一表面为平面，从而降低因金属读出电极11中的缝隙造成的表面高度差，降低信号读出板1表面的粗糙度，进而避免粗糙表面影响空间电场分布，以便于实现气体探测器10的高分辨率。
具体地，位于下端的绝缘层12用于隔离金属读出电极11与阻性阳极电极3。
金属读出电极11为PCB覆铜电极或微纳加工镀膜电极，且金属读出电极11的厚度不高于25微米；绝缘层12为聚乙烯薄膜或聚酰亚胺薄膜，厚度为25-500微米。
基板2为无氧铜板，且基板2的厚度为2-10mm，信号读出板1固定在基板2的上端面。
阻性阳极电极3包括低阻电极环31和阻性层32，低阻电极环31固定在阻性层32上端面，且靠近阻性层32的周向边沿设置，阻性层32固定在信号读出板1的上端面；阻性层32为锗薄膜或类金刚石薄膜；低阻电极环31为镀银或镀铬等金属薄膜。
支撑框41为PET材料制成，且支撑框41完全覆盖低阻电极环31的上端面，能够防止低阻电极环31与微网电极间发生打火，影响整体结构的使用寿命，微网电极42为金属材料制成。
实施例三
如图6所示，本实施例提供一种射线探测装置100，包括外壳20、场笼40、光电探测器30和实施例二中的气体探测器10；外壳20为封闭式壳体，进而形成无窗型射线探测装置100，外壳20内设有阴极电极70，且外壳20内形成测试腔体，供样品50中的粒子电离，场笼40位于测试腔体内，且场笼40内部与测试腔体连通，场笼40内用于形成均匀漂移电场，以保证对样品50中粒子的电离，以对其进行探测；光电探测器30固定在外壳20的内侧壁上，且光电探测器30位于场笼40的外侧壁与外壳20的内侧壁之间，样品50在测试腔体内激发工作气体产生的荧光能够穿过场笼40的镂空部分并被光电探测器30探测，光电探测器30用于测量样品50中粒子入射的时间零点，并结合给定的径迹漂移速度读出电离电子的到达时间和两维位置；气体探测器10位于外壳20的内底面上，且与样品50相对，气体探测器10作为读出平面，具有低本底和高分辨的粒子探测能力，能够用于测量样品50中粒子电离信号到达气体探测器10平面的时间、位置和幅度，然后结合时间零点测量，实现径迹测量和能量测量，确定粒子绝对径迹信息，排除非样品50方向的放射性本底，以获得绝对的三维径迹以及带电粒子在单位路径的能量损失(dE/dx)信息；
并且，由于不同电荷粒子(如α为2、β带电为1)dE/dx、总能量沉积及起始位置等差别显著，因此可以借此轻易区分α、β粒子，排除环境γ本底；另一方面，借助粒子径迹及方向，容易区分信号是来着待测样品还是环境本底，更进一步能够对样品表面污染的α、β位置及浓度分布进行精确的成像。而且，这种方法避免了大体积、高重量的屏蔽材料，提升了检测装置使用的灵活性，并大幅降低了制造成本。气体探测器10本身对带电粒子探测效率极好，对应1cm以上的漂移区，探测效率将接近100％，远好于现有的技术方案。
如图5所示，对于有窗型的射线探测装置100，外壳20的上端面开设有窗口，支撑网61、有机薄膜62和阴极电极组成入射窗口60，支撑网61的外周固定在窗口的内壁上，且支撑网61上用于支撑样品50，既防止样品50压坏外壳20，又能够保证样品50中的α射线和样品50中的β射线能够穿过窗口60并到达外壳20内，优选地，支撑网61为镂空骨架，其光学透过率不低于60％，有机薄膜62固定在支撑网61的下端，且有机薄膜62固定在阴极电极70的上端，有机薄膜62用于对外壳20密封，且有机薄膜62能够使得α射线和β射线穿过，阴极电极70用于作为气体探测器10的阴极。优选地，有机薄膜62厚度为1～10微米，且有机薄膜62为聚酯薄膜或聚酰亚胺材料制成；镂空骨架为金属膜刻蚀或激光切割制作(如图9所示)，或者金属丝编织而成(如图10所示)，且镂空网孔尺寸优选为50-500微米；阴极电极70为镀膜电极63(如图7所示)或镂空电极64(如图8所示)，镀膜电极63通常为厚度<500nm的铝薄膜，镀膜电极63的材质不限于铝，只要是原子序数较低材料的金属薄膜或导电化合物，能够作为气体探测器10的漂移阴极即可，镂空电极64与镂空骨架结构参数相同，且网孔对齐，能够避免阻挡α射线和β射线的穿过，且避免影响其光学透过率。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种气体探测器制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：制作信号读出板，在下层绝缘层上端面制作金属读出电极，在所述金属读出电极的上端面覆盖上层绝缘层；
S2：压合所述信号读出板和表面处理，将所述信号读出板压合在基板上，并使所述上层绝缘层上远离所述基板的一侧呈平面；
S3：制作阻性阳极电极，在所述信号读出板的上端面制作阻性层，在所述阻性层的上端面的外周固定低阻电极环；
S4：制作探测器放大组件，将支撑框固定在所述低阻电极环的上端，并使所述支撑框完全覆盖所述低阻电极环，将微网电极固定在所述支撑框的上端。
2.根据权利要求1所述的气体探测器制作方法，其特征在于：S1步骤中，采用微纳加工方法直接在所述下层绝缘层上制作金属读出电极。
3.根据权利要求1所述的气体探测器制作方法，其特征在于：S2步骤中，在所述基板的上端面均匀涂覆一层环氧树脂胶，并将所述信号读出板粘贴在所述基板的上端面，利用平板压机压合，待所述环氧树脂胶固化后，利用高数目砂纸对所述信号读出板的上端面打磨抛光形成所述平面，且所述平面的表面粗糙度小于1微米。
4.一种气体探测器，其特征在于：包括信号读出板、基板、阻性阳极电极和探测器放大组件，所述探测器放大组件、所述阻性阳极电极、所述基板和所述信号读出板在竖直方向上依次堆叠固定，且所述探测器放大组件位于最上端；所述探测器放大组件包括支撑框和微网电极，所述支撑框固定在所述阻性阳极电极的上端面，且所述微网电极固定于所述支撑框的上端面；所述信号读出板包括由上至下依次堆叠的上层绝缘层、金属读出电极和下层绝缘层，所述金属读出电极用于形成读出电路，所述上层绝缘层和所述下层绝缘层均用于隔离所述金属读出电极与外界，且所述上层绝缘层上远离所述基板的一表面为平面。
5.根据权利要求4所述的气体探测器，其特征在于：所述金属读出电极为PCB覆铜电极或微纳加工镀膜电极，且所述金属读出电极的厚度不高于25微米；所述绝缘层为聚乙烯薄膜或聚酰亚胺薄膜，所述绝缘层的厚度为25-500微米。
6.根据权利要求4所述的气体探测器，其特征在于：所述基板为无氧铜板，且所述基板的厚度为2-10mm，所述信号读出板固定在所述基板的上端面。
7.根据权利要求4所述的气体探测器，其特征在于：所述阻性阳极电极包括低阻电极环和阻性层，所述低阻电极环固定在所述阻性层上端面，且靠近所述阻性层的周向边沿设置，所述阻性层固定在所述信号读出板的上端面；所述阻性层为锗薄膜或类金刚石薄膜；所述低阻电极环外周为镀银薄层或镀铬薄层。
8.根据权利要求7所述的气体探测器，其特征在于：所述支撑框为PET材料制成，且所述支撑框完全覆盖所述低阻电极环的上端面，所述微网电极为金属材料制成。
9.一种射线探测装置，其特征在于：包括外壳、场笼、光电探测器和权利要求4-8中任一项所述的气体探测器；所述外壳内设有阴极电极，且所述外壳内形成测试腔体，所述场笼位于所述测试腔体内，且所述场笼内部与所述测试腔体连通，所述场笼内用于形成均匀漂移电场；所述光电探测器固定在所述外壳的内侧壁上，且所述光电探测器位于所述场笼的外侧壁与所述外壳的内侧壁之间，样品在所述测试腔体内产生的荧光能够穿过所述场笼的镂空部分并被所述光电探测器探测，所述光电探测器用于测量样品中粒子入射的时间零点；所述气体探测器位于所述外壳上的内底面上，且与所述阴极电极相对，所述气体探测器用于测量样品中粒子电离信号到达所述气体探测器平面的时间、位置和幅度。
10.根据权利要求9所述的射线探测装置，其特征在于：还包括支撑网和有机薄膜，所述外壳的上端面开设有窗口，所述支撑网的外周固定在所述窗口的内壁上，且所述支撑网用于支撑样品，并供样品中的α射线和β射线穿过，所述有机薄膜固定在所述支撑网的下端，且所述有机薄膜固定在所述阴极电极的上端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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