CN115985749A - 一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板，所述电子倍增微通道板包括：板内分布有多个阵列排布的通孔，中间设置有绝缘体，上下表面镀有金属层作为电极，所述电极深入通道内。气体电子倍增微通道板的材料本身的出气率比较低，能够提高气体探测器在空间工作的寿命。使倍增的电荷无法在铅玻璃表面累积，从而消除了电荷累积效应；使气体探测器在初加工作电压时和不同辐射环境下，增益保持稳定。
Description
技术领域
本发明涉及微结构气体探测器领域，尤其涉及一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板。
背景技术
盖革计数器的出现开启了气体探测器的时代，经过长期的发展，先后经历了电离室、正比管以及多丝正比室，极大地推动了不同类型丝室的大规模发展，是气体探测器发展上的里程碑。
随后，为了追求更坚固、可靠的探测器，加上光刻技术和微加工技术的出现，不断地推动微型结构气体探测器(MPGD)的发展，出现了许多新型微结构气体探测器(MPGD)，如：微网结构气体探测器(MicroMegas)、气体电子倍增器(GEM)、厚型气体电子倍增器(THGEM)。
微结构气体探测器的电子倍增器中存在的绝缘介质暴露在辐射环境下往往会影响探测器的行为，大多数研究发现微结构气体探测器在加初始电压时增益往往随时间而变化。探测器在工作时，增益产生的电荷累积在电子倍增器的绝缘介质表面，从而改变原有的电场强度，引起增益的变化。因此，充电效应被普遍认为是影响增益随时间演变的主要原因。
对于运用在空间中的微结构气体探测器，探测器经过粒子流量比较大的天区时，往往要关机来保护探测器，在空间运行期间探测器需要频繁开机和关机的操作，但电子倍增器在初加电压时，其增益随工作时间而演变，直接影响了工作稳定性；同时空间中不同区域粒子流量不一致，导致电子倍增器的绝缘介质表面累积的电荷量不一样，粒子流量越大，累积的电荷量越多，探测器的增益变化越严重。为了改善探测器工作的稳定性，已有一些研究采用电阻电极以及探测器绝缘介质表面涂覆不同电阻值的类金刚石碳(DLC)薄膜来克服绝缘介质表面充电效应。研究结果表明，探测器中的绝缘介质表面存在面电阻有助于释放电荷以减弱电荷累积效应。对于涂覆DLC薄膜的微结构气体探测器，虽然改善了工作时增益的稳定性，还是存在一定程度的充电效应。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板。
根据本发明的一个方面，提供了一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板，所述电子倍增微通道板包括：板内分布有多个阵列排布的通孔，中间设置有绝缘体，上下表面镀有金属层作为电极，所述电极深入通道内。
可选的，所述气体电子倍增微通道板的厚度为200～1000μm的范围。
可选的，所述绝缘体为铅铋硅酸盐。
可选的，所述通孔的直径在20～100μm的范围，孔间距在30～120μm的范围。
可选的，所述气体电子倍增微通道板的斜切角为0°。
本发明提供的一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板，所述电子倍增微通道板包括：板内分布有多个阵列排布的通孔，中间设置有绝缘体，上下表面镀有金属层作为电极，所述电极深入通道内。气体电子倍增微通道板的材料本身的出气率比较低，能够提高气体探测器在空间工作的寿命。使倍增的电荷无法在铅玻璃表面累积，从而消除了电荷累积效应；使气体探测器在初加工作电压时和不同辐射环境下，增益保持稳定。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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它的附图。
图1为本发明实施例提供的气体电子倍增微通道板结构示意图；
图2为本发明实施例提供的气体探测器的工作原理图；
图3为本发明实施例提供的气体电子倍增微通道板在不同工作气体中的增益随时间的变化关系图；
图4为本发明实施例提供的气体电子倍增微通道板在不同辐射强度的情况下增益的稳定性示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提出一种气体电子倍增微通道板作为气体探测器的电子倍增器，其结构与传统的气体电子倍增器类似，一块气体电子倍增微通道板内具有许多阵列排布的通孔，其中间的绝缘体为铅铋硅酸盐，上下表面镀有金属层作为电极，且电极深入通道内有一定深度。气体电子倍增微通道板的厚度在200～1000μm的范围，通孔的直径在20～100μm的范围，孔间距在30～120μm的范围，斜切角为0°。气体电子倍增微通道板在气体探测器的工作气体中对电子进行增益放大，增益高达10000以上，使微结构气体探测器可以达到较高的能量分辨和位置分辨。
气体电子倍增微通道板包括了中间还原后的具有转高电阻的近似于绝缘层(1)和上下表面的金属电极层(2)，板内分布着阵列形式的通孔(3)。气体电子倍增微通道板采用铅铋硅酸盐按照类似微通道板制作工艺，拉单丝、复丝、排复丝、压板、光学冷加工、化学腐蚀出微通道阵列、氢还原出500MΩ～10GΩ的电阻，随后在两端面蒸镀附着力和导电性较好的金属合金电极，电极需要深入通道一定深度，通过在气体探测器内，在两电极之间加上一定的电压，构成倍增器所需的电场，从而实现气体电离后的雪崩倍增，且消除了电荷积累。
本发明的气体电子倍增微通道板，主要用于微结构气体探测器中的电子增益器。粒子在探测器中与工作气体发生相互作用产生原初电子，由于原初电子的数量非常少，需要经过电子倍增器把电子放大，方便后端阳极读取放大后的电子。因此，通过收集到的电子获取粒子的能量等信息，实现粒子的探测。
如图1所示，本发明的气体电子倍增微通道板为微结构气体探测器中的一个重要元器件，将其放在阴极与阳极之间。阴极与气体电子倍增微通道板上表面电极之间形成漂移区，气体电子倍增微通道板下表面电极与阳极之间形成感应区。气体电子倍增微通道板的孔内为电子在气体中的倍增区域。
探测器的腔室内充满工作气体，工作气体由惰性气体与淬灭性气体组成的混合气体，如Ar+10％CO2。工作时，将负高压由高到低分别接入阴极、气体电子倍增微通道板上表面电极和气体电子倍增微通道板下表面电极。使漂移区与感应区形成几百V/cm的电场，倍增区形成几千V/cm的电场。
工作原理：
如图2所示，假如气体探测器对X射线进行测量，X射线穿过阴极到达漂移区与工作气体发生光电效应相互作用，气体原子吸收了光子后产生光电子。光电子与气体发生电离相互作用，产生原初电子。电离电子在电场的作用下漂移到气体电子倍增微通道板孔内。由于孔内的电场比较大，在很短的距离内把电子加速到足够的能量，使加速后电子又与气体发生电离作用，产生新的电子，就这样使电子在倍增区发生雪崩放大。倍增后的电子在感应区的电场作用下向阳极漂移，并在阳极上感应出电子信号。电信号幅度与X射线成正比的关系，得到电信号幅度就实现了对X射线进行的测量。
为了了解气体电子倍增微通道板在气体探测器中的电荷累积情况，利用单能的X射线照射探测器，对气体电子倍增微通道板的增益进行测量，给出气体电子倍增微通道板在加初始电压时增益随时间的变化和不同X射线流量下增益的变化。研究基于气体电子倍增微通道板气体探测器的工作稳定性。
首先对探测器在刚加上工作电压时，测量气体电子倍增微通道板增益随时间的变化。在每次增益稳定性测量前，探测器在不加工作电压的情况下静置十个小时以上，清除先前累积的电荷，以稳定系统并初始化增益。在系统达到稳定后，在探测器内充满工作气体，接着在探测器的阴极、气体电子倍增微通道板上下表面电极加上工作电压，工作电压到位后，马上进行气体电子倍增微通道板增益的测量。
如图3所示，显示了气体电子倍增微通道板在不同的工作气体中的增益随时间的变化关系。从图测量结果可知，在不同工作气体中的增益稳定性表现都是一致的，并增益稳定性好于5％。这是因为气体电子倍增微通道板具有几GΩ的体电阻，帮助释放累积的电荷，从而克服充电效应，增益基本趋于稳定的状态。因此，基于气体电子倍增微通道板的探测器在加上工作电压后就可以达到稳定性的工作状态，非常适用于空间需要对探测器频繁开机和关机的环境。
其次测量探测器在不同X射线流量照射下，气体电子倍增微通道板的增益随X射线流强的变化关系。探测器内充入Ar+10％CO2工作气体，加上相应的工作电压。
如图4所示，在开始的时候，把X射线的流强调到比较大，探测器的计数率达到了140Couts/s/mm2，经过7个小时的测量，气体电子倍增微通道板的增益保持稳定。随后多次减少照射到探测器的X射线的流度，探测器的计数率从140Couts/s/mm2依次降到2.1Couts/s/mm2。最后把X射线的流强从低调到高，探测器的计数率又增加到127Couts/s/mm2。在测量的整个过程中，无论X射线的流强变大还是变小，气体电子倍增微通道板的增益一直保持稳定。从测量结果可以知，因气体电子倍增微通道板没有充电的现象，其增益不受探测器的计数率影响，在不同的辐射强度下，气体电子倍增微通道板的增益保持相对比较稳定，其增益稳定性好于5％。因此，基于气体电子倍增微通道板的探测器非常适用于空间中不同的辐射强度环境。
有益效果：由于气体电子倍增微通道板本身具有一定阻值的体电阻，在工作时，使倍增的电荷无法在铅玻璃表面累积，从而消除了电荷累积效应；使气体探测器在初加工作电压时和不同辐射环境下，其增益保持稳定。
气体电子倍增微通道板的孔径和孔间距控制在几十微米，通过选择薄壁玻璃管来提高其开口面积比，具有较高的占孔比，有利于提高气体探测器的能量分辨和位置分辨。
气体电子倍增微通道板的金属镀层表面光滑表面，小孔边缘周围不存在毛刺，使用前不需要进行抛光处理。
气体电子倍增微通道板的材料本身的出气率比较低，可以提高气体探测器在空间工作的寿命。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、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，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板，其特征在于，所述电子倍增微通道板包括：板内分布有多个阵列排布的通孔，中间设置有绝缘体，上下表面镀有金属层作为电极，所述电极深入通道内。
2.根据权利要求1所述的一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板，其特征在于，所述气体电子倍增微通道板的厚度为200～1000μm的范围。
3.根据权利要求1所述的一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板，其特征在于，所述绝缘体为铅铋硅酸盐。
4.根据权利要求1所述的一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板，其特征在于，所述通孔的直径在20～100μm的范围，孔间距在30～120μm的范围。
5.根据权利要求1所述的一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板，其特征在于，所述气体电子倍增微通道板的斜切角为0°。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2024119804A1 (zh) * | 2022-12-08 | 2024-06-13 | 广西大学 | 一种微结构气体探测器的气体电子倍增微通道板 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024119804A1 (zh) | 2024-06-13 |
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Legal Events
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