應用于PandaX-Ⅲ實驗探測器測試平臺的Bulk Micromegas性能研究

陳 雷，李沛玉，周 靜，趙明銳，智 宇，劉雯迪，賈世海，張昀昱，胡守揚，于偉翔，李笑梅

(中國原子能科學研究院 核數據重點實驗室，北京 102413)

PandaX-Ⅲ實驗[1]用136Xe制作高壓氣氙時間投影室尋找無中微子雙貝塔衰變[2]事件，如果能觀察到這個現象即可說明中微子是自己的反粒子，同時表明輕子數不守恒，這意味著自然界的一項重要守恒定律——輕子數守恒律被破壞。現有的研究顯示：無中微子雙貝塔衰變事件的半衰期至少為1026年[3]，要觀察到這樣極稀有的事件需要極低的本底環境。目前世界上最深的錦屏山地下實驗室具有約2 400 m高的山體來屏蔽宇宙線，可極大降低環境的本底輻射，因此PandaX-Ⅲ實驗選擇在該實驗室進行。

要區分136Xe產生的2 458 keV無中微子雙貝塔衰變事件與來自環境的238U衰變鏈中的214Bi產生的2 448 keV γ射線干擾，不僅要求實驗環境擁有極低的本底，還要求探測器具有相當好的能量分辨率。先期實驗要求探測器在能量2 458 keV附近擁有好于3%的能量分辨率。使用高壓氣氙時間投影室還可通過重建事件的徑跡，利用徑跡的幾何結構進一步壓低本底，這還要求探測器有良好的位置分辨能力。

由多絲正比室發展而來的微結構氣體探測器(MPGD)以氣體電子倍增器(GEM)和微網探測器(Micromegas)為兩個主要發展方向。Micromegas探測器根據制作工藝的不同又可進一步分為使用魚線或石英作為放大區間隔的傳統型Micromegas[4]探測器、使用光蝕刻一體化技術制作的Bulk Micromegas探測器[5]及將放大區用印刷電路板制作的MicroBulk Micromegas探測器[6-7]。

MicroBulk Micromegas探測器是歐洲核子中心(CERN)生產的一款具有良好能量分辨率與位置分辨率的MPGD。有研究表明，使用MicroBulk Micromegas探測器測量55Fe產生的5.9 keV X射線，能量分辨率好于2%[8]，在眾多Micromegas類型中表現優異。探測器整體采用銅和聚酰亞胺構成，可做到極低的本底。此外由于探測器制作成本相對較低，且可拼接成大面積的讀出平面，滿足PandaX-Ⅲ實驗的需求。

PandaX-Ⅲ實驗計劃采用大量MicroBulk Micromegas探測器作為時間投影室的讀出平面。這些探測器在安裝使用前需了解每塊探測器的工作狀態與性能參數，如探測器增益、壞道分布與打火通道狀態標定等。這就需要有一個能對多個MicroBulk Micromegas探測器同時進行性能檢測的探測器測試平臺。為此中國原子能科學研究院負責建立了基于Micromegas探測器、AGET電子學、數據獲取系統、數據分析系統、高壓系統和流氣系統的PandaX-Ⅲ實驗探測器測試平臺。

由于MicroBulk Micromegas目前只能由歐洲核子中心生產，周期較長，探測器出現問題無法及時更換，因此改用中國原子能科學研究院中高能物理團隊研制的Bulk Micromegas探測器對測試平臺進行研究。Bulk Micromegas探測器目前可由中國原子能科學研究院自主生產，有多塊同型號的探測器可供使用，且在測試過程中具有良好的穩定性。Bulk Micromegas探測器與MicroBulk Micromegas探測器兩者具有相似的結構與工作參數，對Bulk Micromegas探測器進行性能測試的平臺今后可很方便地應用于MicroBulk Micromegas探測器的性能測試。

1 實驗裝置

1.1 探測器結構

Bulk Micromegas探測器結構如圖1a所示。探測器采用條讀出，最下層為含有相互正交的讀出電極的陽極讀出電路板。讀出電路板上方為高128 μm的支撐柱。支撐柱由感光膜經過光蝕刻制作而成，用于支撐作為雪崩放大電極的400目不銹鋼絲網。測試用Bulk Micromegas探測器的讀出電路板如圖1b所示，該讀出電極有效面積為5 cm×5 cm。Bulk Micromegas探測器橫向和縱向各32條通道，共64通道，其工作原理為帶電粒子在漂移區電離產生電子離子對，在漂移電場的作用下，電子漂向并經過不銹鋼絲網做成的雪崩電極，進入雪崩區后進行放大，電荷在雪崩區運動的過程中產生感應信號并由相互正交的陽極條讀出。

a——探測器結構；b——探測器實物圖1 Bulk Micromegas探測器結構Fig.1 Structure of Bulk Micromegas detector

1.2 測試平臺搭建

PandaX-Ⅲ實驗探測器測試平臺的結構框圖如圖2所示。該測試平臺由Micromegas探測器、AGET電子學、數據獲取系統、數據分析系統、高壓系統和流氣系統組成。

圖2 測試平臺結構Fig.2 Structure of test platform

探測器漂移區的距離設置為1 cm，并使用Ar+10%CO2平衡氣作為探測器中的氣體電離介質。探測器工作時Ar+10%CO2以500 mL/min的流速通入氣室并排出。探測器的漂移電極與雪崩電極的高壓由CAEN N1471HET高壓插件提供。測試所采用的讀出電子學是中國科學技術大學研制的基于AGET讀出芯片制作的通用讀出電子學[9-10]，包括前端讀出板(FEC)與數字獲取模塊(DCM)及相應的數據采集軟件和說明文檔。數據采集軟件由Qt4.8.7編寫制作，可跨平臺運行，版本為V1.1。數據分析軟件是基于C++與CERN開發的ROOT軟件庫編寫的后端處理分析程序。

2 探測器測試及分析

由于微結構氣體探測器通常存在打火問題，在進行初步測試時將絲網電壓設置在低于打火出現的電壓附近。實驗采用55Fe放射源相對于Bulk Micromegas探測器的位置進行測試，并用X射線管產生的X光對鑰匙照射，使用Bulk Micromegas探測器進行成像以驗證數據分析軟件在成像方面的準確性。然后選擇1個探測器能正常工作的雪崩電極電壓，通過改變探測器漂移電極電壓，獲得探測器增益及能量分辨率隨雪崩電場與漂移電場比(Em/Ed)的變化曲線，進而找到與探測器最佳能量分辨率相應的Em/Ed。最后在保持Em/Ed不變的情況下，改變探測器的雪崩電極電壓以及相應的漂移電極電壓，從而獲得探測器的氣體電子放大倍數即增益隨雪崩電極電壓的變化曲線。

2.1 噪聲測試

接地與電磁屏蔽是噪聲控制中很重要的一環[11]。實驗使用隔離電源濾波器將整個系統使用的電源與實驗室電源分開。使用銅帶包裹所有信號線與電源線以避免電源線纜輻射干擾其他電子學系統，并防止線纜信號被外界干擾。在高壓插件與探測器連接處使用ORTEC 142A作為濾波器，并用鋁箔將濾波器包裹。實驗中還將高壓插件的陽極與機箱的地線連接斷開以使高壓插件地線懸空。整個探測器與前端電子學放置于金屬屏蔽箱中。

測試時雪崩電極電壓設置為-400 V，漂移極電壓設置為-1 000 V，對應有效漂移電場為-600 V/cm。測試獲得的探測器輸出的兩個觸發通道信號與所有通道噪聲統計分布示于圖3。圖3a中，數據采集軟件中設定的采樣頻率為5 MHz，兩個采樣點之間的時間間隔為0.2 μs。電子學使用的電荷量程為120 fC，并用12位二進制的數表示120 fC整個量程，其電荷的模數轉換值(ADC)為4 096。上下兩個觸發通道信號的基線ADC相差120左右，每條信號曲線的基線峰谷ADC差值在50左右。信號幅值與基線ADC差值大于75，該差值可由數據分析軟件設定，用以判斷探測器輸出信號是否超過設定閾值。不加漂移電壓與雪崩電壓時統計得到探測器輸出信號的均方根偏差(RMS)分布示于圖3b。圖3b中，縱軸為1個通道在1次事件中計算得到的相應RMS值的計數。由圖3b可見，ADC的RMS平均值在9左右，此時等效噪聲電荷為0.263 fC，滿足實驗需求。ADC的RMS值為4左右的統計量是電子學與探測器連接性問題引發的。這些通道的RMS值反映了沒有連接探測器時電子學本身的噪聲水平。由于電子學接口與探測器接口之間多次插拔操作使得這些通道不能正常傳遞探測器的輸出信號。

2.2 數據獲取與分析

信號從探測器中產生后經過轉接板傳至FEC，經過FEC整形濾波后通過光纖傳到DCM，最后由DCM將數據打包整理后由千兆網線傳至計算機進行離線分析。

根據數據采集軟件相應的數據格式說明書編寫相應的數據分析軟件，使其能更方便地應用于探測器的測試。該程序可對來自探測器的信號進行一些基礎分析，包括波形顯示、計算并統計每一通道的RMS值與基線、事件能量以及事件的電荷中心等相關參數。

為更完整地獲取探測器產生的事件信號，實驗中將數據采集軟件的數據采集模式設定為全讀出，即1次觸發即將所有通道信號讀出。但全讀出數據量非常龐大，1次具有約10萬事例的數據采集過程至少獲得20 GB的數據量。因此未來將考慮使用磁盤陣列存儲數據，并采用多線程并行處理方式，以提高分析軟件的處理速度。

2.3 成像測試

利用Bulk Micromegas探測器對55Fe放射源在探測器中的相對位置進行測試，結果示于圖4a。從圖4a可見，放射源所呈圖像并非圓形，而是類似于橢圓的結構。在保持其他實驗條件相同的情況下將放射源相對于探測器旋轉一定角度后發現，圖中的長軸朝向發生了改變，這說明產生這種橢圓形狀的圖像并非是探測器或電子學本身的問題，而是放射源本身的形狀。在Ar+30%CO2平衡氣體條件下，將鑰匙置于Bulk Micromegas探測器上方，并使用X射線管產生的X光進行照射，探測器獲得的圖像示于圖4b。其中X射線管電壓設置為50 kV，鑰匙置于漂移電極表面靠近X射線管一側。從圖4可看到相對較清晰的放射源與鑰匙的輪廓，與實際物體幾何尺寸及相對于探測器的位置吻合，說明分析軟件在成像方面分析準確，可為實驗獲得的事例提供位置上的篩選條件。

圖3 探測器輸出信號與噪聲分布Fig.3 Detector signal and noise distribution

圖4 55Fe放射源(a)與X光照射下的鑰匙(b)在Bulk Micromegas探測器上的成像Fig.4 Image of 55Fe radio source (a) and key under X-ray (b) on Bulk Micromegas detector

2.4 能譜與增益曲線

將55Fe放射源置于漂移電極表面遠離雪崩電極一側并朝向雪崩電極。漂移電極由帶有通孔的雙面覆銅板構成。Ar+10%CO2平均電離能為27.2 eV[12]。由q=eE/W可知，根據射線能量E與平均電離能W可得到平均電離電荷q，e為單位元電荷。又由Qt=120×10-15P/4 096(P為峰位所在的橫軸ADC值)可得到收集到的總電荷數Qt。增益A為兩者之比，即A=Qt/q。

圖5 Bulk Micromegas探測器測量得到的 55Fe能譜Fig.5 55Fe energy spectrum measured by Bulk MciroMegas detector

實驗中漂移電極電壓與雪崩電極電壓分別設置為-549 V和 -490 V，并以1個事件的電荷重心作為篩選條件選擇距離放射源在探測器上的投影點3 mm以內的事件，得到的能譜示于圖5。圖5中ADC為2 200附近有1個由55Fe放射源產生的5.9 keV X射線的主峰，ADC為1 100附近有1個逃逸峰。使用單高斯曲線對ADC為2 200附近的數據進行擬合，得到高斯峰的峰位，并由增益計算公式得到此時增益約為1 700，能量分辨率約為20%。

為探究探測器的工作狀態，研究了探測器的透過率與Em/Ed的關系。當探測器的雪崩電場與雪崩距離確定時，Bulk Micromegas探測器雪崩區電子放大倍數幾乎不變，整個探測器的增益可認為是由電子透過率決定的。由此增益的變化可間接反映探測器的電子透過率的變化。實驗中將雪崩電極電壓設置為-490 V，測量探測器增益與能量分辨率隨Em/Ed變化，如圖6所示。

由圖6a可見，隨著Em/Ed的增大，探測器增益先劇烈上升，然后趨于平緩，表明Em/Ed越大探測器的透過率越好。

由圖6b可知，Em/Ed越大，探測器能量分辨率越佳。Em/Ed約為600時能量分辨率約為21%。圖6b中，在一些Em/Ed附近出現了能量分辨率的極大值，可能是由于測試過程中需要對氣體流量進行調整導致的。測試時計數率不高，約150 Hz，需要至少10 min的數據才能積累一定統計量。而這樣長時間大氣流的供氣很難保持氣體流量的穩定性，而氣體流量對探測器能量分辨率有一定影響。

結合圖6a、b可知，當漂移電場進入氣體電離曲線復合區前，雪崩電極電壓保持不變時，Em/Ed越大，探測器的透過率和能量分辨率越好。然而當漂移電場進入氣體電離曲線中的復合區后，將導致漂移區產生的電離電子對在漂移過程中發生復合，使得感應信號不能被完全收集從而造成能量分辨率變差。

選擇能量分辨率最佳時的Em/Ed=650，分別改變雪崩電極電壓與相應的漂移電極電壓，測量探測器增益與能量分辨率曲線，結果示于圖7。由圖7a可見，探測器的增益曲線近似為直線，呈e指數變化，可獲得的最大增益約為3 000。由于更高的絲網電壓使得探測器打火放電，導致探測器的穩定性變差，因此實驗中雪崩電極電壓不高于-510 V。

由圖7b可見，在雪崩電極電壓大于-420 V時，探測器的能量分辨率均好于30%。更低的雪崩電極電壓會導致信噪比變差，從而使得能量分辨率變差。雪崩電極電壓為-400 V時，增益曲線已明顯偏離指數變化，此時的能量分辨率也幾乎沒有參考意義。

圖6 探測器增益與能量分辨率隨Em/Ed的變化Fig.6 Gain and energy resolution with Em/Ed

圖7 探測器增益與能量分辨率隨雪崩電極電壓的變化Fig.7 Gain and energy resolution with mesh voltage

為能更快速地獲取探測器增益與能量分辨率，實驗中將探測器與ORTEC 142A連接，輸出的能量信號經過ORTEC 572主放大器與Amptek MCA8000A 多道分析儀進行數據采集，并使用相應程序對數據進行分析。

測試時數據采集時間設定為20 s，實驗中的事例率可達600 Hz以上，可大幅節省獲得探測器增益曲線與能量分辨率曲線的時間。雪崩電極電壓為-490 V、漂移電極電壓為-549 V時，能量分辨率為19.7%，達到國外同類型探測器水平。

3 總結

本文利用Bulk Micromegas探測器對PandaX-Ⅲ實驗探測器測試平臺進行了測試。測試結果表明：Bulk Micromegas探測器在Ar+10%CO2下對55Fe產生的5.9 keV X射線最大增益約為3 000；分別使用基于AGET芯片的電子學與MCA8000多道分析儀進行數據采集可達到20.7%與19.7%的能量分辨率。基于AGET芯片制作的通用讀出電子學連接Bulk Miromegas 探測器噪聲等效電荷為0.263 fC，具有良好的信噪比，滿足測試要求。用于測試平臺相關的數據分析軟件可給出探測器各通道的波形圖、增益曲線以及二維事件分布圖等相關信息。Bulk Micromegas探測器與Micro-Bulk Micromegas探測器兩者具有相似的結構與工作參數，利用PandaX-Ⅲ實驗探測器測試平臺對Bulk Micromegas探測器進行性能測試的結果，對今后MicroBulk Micromegas探測器性能測試具有重要意義。