GEM探測(cè)器與X射線成像實(shí)驗(yàn)

周 意，孫臘珍，孫金華

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽 合肥 230026)

GEM探測(cè)器與X射線成像實(shí)驗(yàn)

周 意，孫臘珍，孫金華

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽 合肥 230026)

使用2個(gè)GEM探測(cè)器系統(tǒng)，分別用作增益測(cè)量和位置分辨測(cè)量. 用GEM探測(cè)器測(cè)量銅靶X射線能譜，能量分辨率為21.5%. 8 keV的X射線入射雙層GEM探測(cè)器，實(shí)驗(yàn)測(cè)量x方向位置分辨為64 μm，y方向位置分辨為68 μm. 將科研成果經(jīng)過(guò)精煉、核心提取，為核與粒子物理學(xué)科的本科生開(kāi)設(shè)GEM探測(cè)器和X射線成像實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)高能粒子探測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)獲取和處理等有整體的理解.

GEM探測(cè)器；X射線成像；位置分辨率；能量分辨率

隨著核與粒子物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，對(duì)粒子探測(cè)器的計(jì)數(shù)率和位置分辨率的要求越來(lái)越高. 以多絲正比室和漂移室為代表的氣體探測(cè)器，由于絲室內(nèi)部電場(chǎng)分布的特點(diǎn)和機(jī)械加工精度的限制，已經(jīng)無(wú)法同時(shí)滿足核與粒子物理實(shí)驗(yàn)高計(jì)數(shù)率和高空間分辨的要求. 1988年法國(guó)科學(xué)家A.Oed首先使用光刻技術(shù)研制出新型的氣體探測(cè)器——微條氣體室(Microstrip gas chamber,MSGC)[1]. MSGC微結(jié)構(gòu)中的小尺寸的放大區(qū)能快速地疏散正離子，減少空間電荷的堆積，提高探測(cè)器的計(jì)數(shù)率和空間分辨能力. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系高能粒子物理實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的微結(jié)構(gòu)氣體電子倍增 (Gas electron multiplier, GEM)探測(cè)器[2]具有位置分辨高(位置分辨好于100 μm，時(shí)間分辨～10 ns量級(jí))、計(jì)數(shù)率高(可達(dá)100 kHz/mm2以上)、工作穩(wěn)定、抗輻射能力強(qiáng)，很容易加工成各種形狀，而且造價(jià)低廉，很適合應(yīng)用于大面積的粒子徑跡探測(cè)和輻射成像.

1 GEM探測(cè)器

GEM探測(cè)器的主體是由GEM薄膜構(gòu)成[3]，如圖1所示. GEM薄膜是在兩邊鍍銅的聚乙烯薄膜(Kapton)上，用化學(xué)蝕刻技術(shù)將其腐蝕出許多等間距的小孔，孔的中心部分直徑在50～80 μm，如圖2所示.

圖1 GEM薄膜照片

圖2 GEM上的小孔橫截面的照片

當(dāng)GEM薄膜的上下表面加上一定的工作電壓(～400 V)后，在小孔中心產(chǎn)生大于10 kV/cm的電場(chǎng)，如圖3所示. 當(dāng)電子在電場(chǎng)作用下經(jīng)過(guò)小孔時(shí)與氣體分子發(fā)生碰撞和電離產(chǎn)生多個(gè)次級(jí)電子，通過(guò)氣體雪崩放大實(shí)現(xiàn)對(duì)原初電子的倍增，如圖4所示[4]. GEM探測(cè)器的工作氣體是Ar和CO2,體積比是7∶3. GEM探測(cè)器的雪崩放大區(qū)通常由3層GEM薄膜構(gòu)成,圖5顯示了3層GEM探測(cè)器的結(jié)構(gòu)與工作原理. 通常，GEM探測(cè)器的計(jì)數(shù)率能力達(dá)100 kHz/mm2以上，位置分辨好于100 μm，時(shí)間分辨～10 ns量級(jí).

圖3 GEM小孔對(duì)電場(chǎng)線的聚焦

圖4 GEM探測(cè)器中的雪崩放大過(guò)程

圖5 3層GEM探測(cè)器的結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖

在核與粒子物理實(shí)驗(yàn)中，GEM探測(cè)器主要應(yīng)用于高計(jì)數(shù)率環(huán)境下的徑跡測(cè)量和觸發(fā)，具有探測(cè)面積大且讀出通道密集等特點(diǎn). GEM探測(cè)器這些特性使得它在許多研究領(lǐng)域得到應(yīng)用，如在COMPASS實(shí)驗(yàn)中用于高計(jì)數(shù)率環(huán)境下的粒子徑跡測(cè)量與觸發(fā)，應(yīng)用于時(shí)間投影室(TPC)中進(jìn)行二維位置測(cè)量，光子測(cè)量，X射線醫(yī)學(xué)成像.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

使用2個(gè)GEM探測(cè)器系統(tǒng)，分別用作增益測(cè)量和位置分辨測(cè)量. 增益測(cè)量的GEM探測(cè)器為標(biāo)準(zhǔn)的3層結(jié)構(gòu)，探測(cè)器的爆炸視圖見(jiàn)圖6. 漂移區(qū)、傳輸區(qū)1、傳輸區(qū)2和感應(yīng)區(qū)的氣隙寬度分別為3 mm，2 mm，2 mm，2 mm. 3層GEM薄膜由環(huán)氧樹(shù)脂墊條按照3 mm-2 mm-2 mm-2 mm的間距固定，通過(guò)自張緊方法跟主框架、漂移電極和讀出電極裝配在一起，組成整個(gè)探測(cè)器.

圖6 用于增益測(cè)量的3層GEM探測(cè)器的爆炸視圖

該探測(cè)器的漂移電極由PCB板制成,同時(shí)也充當(dāng)X射線入射窗的作用. 漂移電極的背面有許多直徑為5 cm的盲孔，這些盲孔用來(lái)減小PCB板厚度，減少PCB板對(duì)X射線的吸收. 該探測(cè)器的讀出電極也是PCB板，電極形狀為5 cm×5 cm的正方形Pad組成的陣列，由于探測(cè)器的有效面積是100 cm×50 cm，因此陣列數(shù)目為20×10=200個(gè). 每10個(gè)Pad通過(guò)1個(gè)10路的跳線開(kāi)關(guān)連接到1個(gè)LEMO接頭上，通過(guò)控制條線開(kāi)關(guān)來(lái)選擇輸出某個(gè)Pad上面的信號(hào).

進(jìn)行增益刻度時(shí)，探測(cè)器的輸出端直接和皮安表(Keithley 6487)相連，并通過(guò)計(jì)算機(jī)采集皮安表測(cè)量到的電流數(shù)據(jù)，最后通過(guò)計(jì)算得到探測(cè)器的有效增益.

位置分辨測(cè)量的GEM探測(cè)器是2層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示. 探測(cè)器的頂部是1層Mylar膜，用作X射線入射的窗，同時(shí)起到密封探測(cè)器的作用. 窗到漂移電極之間的氣隙大約為6 mm. 窗下面是漂移電極，然后是2層GEM薄膜，漂移區(qū)、傳輸區(qū)、感應(yīng)區(qū)的氣隙均為2 mm.

圖7 用于位置分辨測(cè)量的雙層GEM探測(cè)器的結(jié)構(gòu)

探測(cè)器的底部是讀出電極. 為了測(cè)量探測(cè)器的位置分辨能力，讀出電極被設(shè)計(jì)成二維的條狀，如圖8所示. 讀出條分上下2層，2層條之間的絕緣層被腐蝕掉，使得上下2層條都能直接收集電子. 2層讀出條的條間距都為400 μm，上層讀出條的條寬是80 μm，下層條的條寬是350 μm.

(a)

(b) 圖8 用于位置分辨測(cè)量的讀出電極結(jié)構(gòu)圖

3 GEM探測(cè)器能譜、能量分辨率及增益測(cè)量

GEM探測(cè)器能譜、能量分辨率及增益測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)如圖9所示. 圖中綠色線路是能譜和能量分辨率測(cè)試電路圖,黑色線路及紅色線路是增益測(cè)試電路. 皮安表測(cè)量探測(cè)器輸出電流，定標(biāo)器測(cè)量入射X光子計(jì)數(shù)率. 增益的計(jì)算公式為

其中，I為GEM探測(cè)器讀出板輸出的平均電流，R為入射X光子的計(jì)數(shù)率，e為電子電荷量，8.0 keV為銅X射線特征能量，26.4 eV是工作氣體的平均電離能.

圖9 能譜、能量分辨率及增益測(cè)試圖

圖10為GEM探測(cè)器測(cè)量的銅靶X射線能譜，從圖10可得到能量分辨率21.5%.

圖10 GEM探測(cè)器測(cè)得的銅靶X射線能譜

4 GEM探測(cè)器位置分辨測(cè)量與X射線成像

圖11和圖12分別為GEM探測(cè)器位置分辨測(cè)試系統(tǒng)電路圖和現(xiàn)場(chǎng)照片. 當(dāng)有X射線進(jìn)入探測(cè)器并被吸收時(shí)，探測(cè)器第3層GEM膜靠近讀出板表面的銅電極上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷靈敏前放放大后從Timing口輸出，再經(jīng)過(guò)反相器、甄別器、門產(chǎn)生器等插件的處理轉(zhuǎn)換成觸發(fā)信號(hào)輸送給MPD與VME控制器. APV25前端卡通電后，開(kāi)始不斷地對(duì)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行取樣，使模擬管道中的數(shù)據(jù)保持最新. 當(dāng)MPD收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，會(huì)向APV25前端卡發(fā)出指令，對(duì)芯片中存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取. 這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模擬脈沖整形處理器(APSP)，在APSP中根據(jù)不同的工作模式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理. 信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬多路復(fù)用器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，隨后加上起始位、地址位和錯(cuò)誤標(biāo)記位信息，并轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，經(jīng)APV25 I/O口輸出. APV25輸出的數(shù)據(jù)隨后進(jìn)入MPD，完成對(duì)信號(hào)的解碼、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)VME總線傳輸?shù)絍ME控制器，經(jīng)USB線最終傳輸?shù)絇C，經(jīng)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，最終完成1次數(shù)據(jù)采集.

圖11 GEM探測(cè)器位置分辨測(cè)量電路圖

(a)

(b)圖12 GEM探測(cè)器位置分辨測(cè)試系統(tǒng)

(a) x方向

(b)y方向圖13 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的雙層GEM位置分辨

使用GEM探測(cè)器進(jìn)行成像時(shí)，把待成像物體(如鑰匙、小扳手等)放置于探測(cè)器與X射線管之間，當(dāng)X射線管開(kāi)啟后，照射GEM探測(cè)器的X射線被待成像物體阻擋，不同材質(zhì)、不同厚度的物體對(duì)X光子吸收不同. 如果把探測(cè)器的有效區(qū)域分成許多像素，就可以對(duì)每個(gè)像素上面產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù). 這些計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成灰度或者其他色譜后，就可以得到待測(cè)物體的圖像[2,5]. 圖14為小扳手的原圖和GEM成像.

(a)原圖

(b)GEM成像圖14 小扳手的原圖和GEM探測(cè)器成像

5 結(jié) 論

GEM探測(cè)器相比多絲正比室在計(jì)數(shù)率和空間分辨率上有顯著提高. 由于GEM探測(cè)器電極自身具有對(duì)原初電離電子的放大作用，它能在大面積區(qū)域內(nèi)獲得均勻的增益，使用2層GEM電極的氣體放大倍數(shù)可以達(dá)到104以上，能量分辨率可達(dá)21%. 因雪崩放大過(guò)程被局限在微孔內(nèi)，采用微條電極讀出獲得更高的位置分辨. 而且雪崩放大過(guò)程中電子和離子收集過(guò)程是分開(kāi)進(jìn)行，減小了空間電荷效應(yīng)，提高了探測(cè)器的計(jì)數(shù)率. 利用科研平臺(tái)和科研成果，為核與粒子物理專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)GEM探測(cè)器和X射線成像實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)高能粒子探測(cè)器、高能粒子探測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)獲取和處理等有整體的理解.

[1] Oed A. Position-sensitive detector with microstrip anode for electron multiplcation with gases [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 1988,263(2/3):351-359.

[2] 李澄，孫勇杰，周意，等. 一臺(tái)高計(jì)數(shù)率GEM X射線成像裝置原型[J]. 高能物理與核物理，2005,29(1)：68-71.

[3] 汪曉蓮，李澄，邵明，等. 粒子探測(cè)技術(shù)[M]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009：173-181.

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[5] 曾暉，孫臘珍，汪曉蓮. CT計(jì)算機(jī)斷層掃描成像實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2008,28(12)：9-12.

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[責(zé)任編輯：任德香]

GEM detector and X-ray imaging

ZHOU Yi, SUN La-zhen, SUN Jin-hua

(Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Two GEM detector systems were used for gain and spatial measurement respectively. GEM detector measured the X-ray energy spectrum of copper target, the energy resolution was 21.5%. 8 keV X-ray entered double GEM detector, thexdirection position resolution was 64 μm, andydirection position resolution was 68 μm. After refining and extracting research achievements, GEM detector and X-ray imaging experiment was set up for the course of specialized experiment of nuclear and particle physics for undergraduates. Students finished a series of work, including particle detection, data acquisition and processing. The X-ray imaging characteristics of various samples were studied.

GEM detector; X-ray imaging; position resolution; energy resolution

2017-03-28；修改日期：2017-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(No.11205151);中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(No.2014jyxm001)

周 意(1980-)，男，湖南桃江人，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系副研究員，博士，從事高能粒子物理與粒子探測(cè)技術(shù)研究.

O572.2

A

1005-4642(2017)07-0009-05