THGEM探測器性能模擬與測試開放實驗設(shè)計

李婷婷 王曉冬 曾文杰

摘 ?要：利用已有的微結(jié)構(gòu)氣體探測器科研測試平臺，設(shè)計基于THGEM探測器性能模擬與測試開放實驗。從實驗設(shè)計到考核評價，本項目通過提煉加工部分科研實驗，引導學生積極參與，將極大地增加學生實驗課的學習收獲，使學生在全面地觀察和感悟氣體探測器研發(fā)測試的過程中，進一步加深學生對專業(yè)知識的理解，激發(fā)學生的求知欲和創(chuàng)新性思維。

關(guān)鍵詞：開放實驗;探測器;實驗設(shè)計

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）32-0041-02

Abstract： Based on the existing microstructure gas detector research and test platform， an open experiment based on THGEM detector performance test is designed. From the experimental design to the assessment and evaluation， this project guides the students to participate actively by refining and processing part of the scientific research experiments， which will greatly increase the students' learning harvest in the experimental course， and further deepen the students' understanding of professional knowledge and stimulate their thirst for knowledge and innovative thinking in the process of comprehensive observation and perception of gas detector research and development test.

Keywords： open experiment; detector; experiment design

1 概述

目前在核科學技術(shù)專業(yè)實驗教學內(nèi)容當中，較為基礎(chǔ)的驗證性和演示性實驗占據(jù)了較多課時，以基礎(chǔ)的實驗來提高學生對理論知識以及實驗操作和儀器設(shè)備的熟悉程度，學生在實驗過程中的獨立思考較少，且消耗課時量相對較多。同時，大多數(shù)實驗儀器老舊，多年未更新、效率低下;教學項目陳舊，基本還在沿用十幾年前的教學內(nèi)容。在核科學技術(shù)學科高速發(fā)展的趨勢下，學生接觸不到最新的學科前沿，創(chuàng)新思維得不到充分發(fā)展。雖然，對于傳統(tǒng)的專業(yè)實驗教學來說，主要側(cè)重于儀器工作原理、操作過程的演示和相對有限的自主探索，其主要目的在于強化學生的理論知識、培養(yǎng)學生的動手能力[1]。但是，科技的發(fā)展是日新月異的，再加上現(xiàn)代高等教理念的更新和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要，緊緊依靠常規(guī)的實驗項目難以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科研能力[2-4]。

THGEM（厚型氣體電子倍增器）是一種新型微結(jié)構(gòu)氣體探測器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)實耐用、造價低廉、高計數(shù)能力、高增益、易于大面積制作等優(yōu)點，在粒子探測和成像領(lǐng)域得到了應用，尤其是在環(huán)形成像切倫科夫探測器、數(shù)字量能器、散裂中子源等一些大科學實驗項目上發(fā)揮了一定的作用。本文依托南華大學先進核探測技術(shù)及核電子學科研平臺與微結(jié)構(gòu)氣體探測器實驗室，首先提煉加工一部分科研實驗設(shè)計為基于THGEM探測器性能模擬與測試的開放性實驗教學項目，引導學生積極參與，進一步培養(yǎng)學生的分析問題、解決問題、創(chuàng)新等多種能力。通過研發(fā)新的實驗項目，將科研項目內(nèi)容有條件的、有選擇的轉(zhuǎn)移到實驗教學中，將極大地增加學生實驗課的學習收獲。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗目的和要求

（1）掌握微結(jié)構(gòu)氣體探測器的工作原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用方法。

（2）學會組裝測量系統(tǒng)和調(diào)試方法，了解THGEM探測器的應用方向。

（3）了解THGEM探測器的工作原理與特點，能夠獨立調(diào)研文獻，合理設(shè)計實驗步驟，并能夠?qū)y試結(jié)果進行深入分析。

（4）實驗前應當熟知實驗室安全規(guī)范，做好充分準備。

2.2 實驗儀器

組裝完好的THGEM探測器、供氣系統(tǒng)、皮安表（Tektronix Keithley 6482）、前置放大器（ORTEC 142PC）、放大器（CAEN N968）、低閾值甄別器（CAEN N845）、高壓電源（CAEN A1550）、恒比甄別器（ORTEC CF8000）、NIM機箱（ORTEC 4001A）、門和延時器（ORTEC GG8020）、多道分析器（CAEN N957）、定標器（CAEN N1145）、脈沖發(fā)生器（ORTEC 419）、放射源55Fe、計算機。

2.3 實驗原理

THGEM探測器是金屬框架密封結(jié)構(gòu)的，留置若干通孔作為工作氣體流通、加載高壓和輸出信號的通道。內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，依次是漂移電極（入射窗至倍增級上表面）、倍增電極（THGEM膜）和收集極（陽極），這些結(jié)構(gòu)體均置于工作氣體中。探測器工作時，利用高壓電源和分壓電路在THGEM膜兩側(cè)加上高壓后，會在THGEM膜的微孔內(nèi)形成強電場，射線由入射窗進入到探測器空腔內(nèi)與工作氣體發(fā)生反應，產(chǎn)生的電離電子在場強的作用下進入微孔內(nèi)，并微孔內(nèi)的強電場作用下發(fā)生電子倍增過程，陽極板收集后被電子學系統(tǒng)記錄，給出脈沖信號[5]。探測器的工作條件、探測效率、能量分辨率和穩(wěn)定性將影響其應用，所以通過實驗測試研究其最佳工作條件和性能指標是十分重要的。

2.4 實驗內(nèi)容

主要實驗過程分為兩部分，劃定方向選做實驗，由學生自主決定開展哪一方面的研究性實驗。其一為模擬部分，通過軟件模擬出理想的實驗條件;其二為實驗操作，利用學校現(xiàn)有的實驗平臺和自行設(shè)計組裝的國產(chǎn)儀器，開展實驗研究和應用設(shè)計。

方向一：利用有限元方法建立微結(jié)構(gòu)氣體探測器的三維模型，并計算電場分布。將建模所得的THGEM結(jié)構(gòu)模型導入Garfield++軟件，計算THGEM膜透過率和增益。接著，進一步改變THGEM探測器工作環(huán)境的各項參數(shù)，如結(jié)構(gòu)、電場和所充氣體氣壓、配比、壓強等，研究對電子透過率和增益的影響，分析各種參數(shù)的變化對探測器性能的影響。分析有效增益和漂移區(qū)電場、膜電壓、收集區(qū)電場的關(guān)系，能量分辨率與漂移區(qū)電場、膜電壓、收集區(qū)電場的關(guān)系。模擬軟件及關(guān)鍵參數(shù)由指導老師給出。

方向二：利用前期計算和模擬確定的實驗參數(shù)，搭建THGEM探測器測試系統(tǒng)，開展實驗，原理框圖如圖1所示。采用脈沖發(fā)生器對系統(tǒng)進行刻度，確定電荷量與峰位的線性關(guān)系，再通過測量55Fe的能譜，尋出全能峰與逃逸峰的峰位，計算峰值比，從而驗證探測系統(tǒng)的正比性。采用單一變量法，通過改變漂移區(qū)電場、THGEM膜電壓、收集區(qū)電場，測量相應條件下55Fe的能譜，計算有效增益和能量分辨率，來確定有效增益和漂移區(qū)電場、膜電壓、收集區(qū)電場的關(guān)系，能量分辨率與漂移區(qū)電場、膜電壓、收集區(qū)電場的關(guān)系。探測器的穩(wěn)定性可通過保持工作條件不變，持續(xù)測量能譜和用皮安電流表長時間監(jiān)測電流變化等方式研究。探測器的均勻性可通過分別測試讀出極板各個小分區(qū)的信號來確定，位置分辨率則通過逐通道讀出電荷量，用電荷重心法確定。探測效率的計算可采用一個活度已知、形狀規(guī)則的放射源55Fe穿過準直孔照射探測器靈敏區(qū)在標準條件下進行刻度。

3 教學建議

本實驗主要針對核工程類專業(yè)研究生和高年級本科生作為專業(yè)課外拓展實驗，當條件成熟后可轉(zhuǎn)為必修實驗課。實驗類型為自選課題課外研究性實驗項目，因為本實驗帶有一定量的設(shè)計性和研究性，在計劃實驗學時內(nèi)無法完成，必須在實驗教學計劃以外另行安排時間，特別是利用學生的周末放假時間。這種開放性研究性實驗難度自然比專業(yè)必修實驗要大，但是對于提高學生的創(chuàng)新能力和實踐能力有極大的促進作用。

在學期初，實驗指導老師要制定好本學期開放實驗計劃，包括實驗內(nèi)容、時間、要求等等，學生根據(jù)自身情況報名參加。學生要在實驗前進行充分的調(diào)研，確定實驗方案，學習相關(guān)應用軟件或相關(guān)儀器的使用說明書。實驗指導老師將采取互動式教學模式，引導學生自學。在實驗過程中，學生才是主體，實驗指導者主要是對實驗方案是否可行進行把關(guān)，并且適時給予啟發(fā)或指導。在不影響安全的前提下，允許學生反復試錯，讓他們自己從失敗中吸取教訓、磨煉意志、得到成長。

整個實驗完成后，要求學生撰寫研究性論文作為實驗報告，并開展口頭形式的報告，鍛煉學生的總結(jié)歸納能力與邏輯表達能力，激勵學生積極參與學術(shù)討論和交流。

4 結(jié)束語

本項目依托核科學與技術(shù)湖南省重點學科、科研平臺、微結(jié)構(gòu)氣體探測器實驗室，將學科前沿比較新穎、成熟的科研成果轉(zhuǎn)化為學生的實驗項目。實驗內(nèi)容主要包括文獻調(diào)研、實驗方案設(shè)計、實驗操作過程、結(jié)果分析和討論、實驗報告、撰寫研究性論文等。研究表明：針對核類專業(yè)學生開設(shè)THGEM探測器性能模擬與測試開放實驗項目，不僅能進一步夯實學生的專業(yè)基礎(chǔ)知識，還能增強其動手能力、培養(yǎng)其創(chuàng)新精神。

參考文獻：

[1]俞遠志，張立慶，傅曉航.開放性實驗教學模式的實踐與思考[J].實驗室研究與探索，2012，31（003）：153-155.

[2]王志華，王明靜，李小池.材料腐蝕與防護綜合實驗設(shè)計與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（02）：99-101.

[3]扈旻，鄧北星，馬曉紅，等.科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（010）：21-23.

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[5]尤文豪.大面積GEM探測器的研制及應用研究[D].中國科學技術(shù)大學，2018.