基于阻性陽極讀出方法的氣體電子倍增器二維成像性能?

鞠旭東 董明義3) 周傳興3) 董靜 趙豫斌 章紅宇 祁輝榮 歐陽群3)

1)(中國科學院高能物理研究所,北京 100049)

2)(核探測與核電子學國家重點實驗室,北京 100049)

3)(中國科學院大學,北京 100049)

Ju Xu-Dong1)2) Dong Ming-Yi1)2)3)?Zhou Chuan-Xing1)2)3) Dong Jing1)2)Zhao Yu-Bin1)2) Zhang Hong-Yu1)2) Qi Hui-Rong1)2)Ouyang Qun1)2)3)

1)(Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

2)(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics,Beijing 100049,China)

3)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

1 引 言

氣體電子倍增器(GEM)探測器[1,2]作為新型微結構氣體探測器[3?7]中的重要一員,近20年來獲得了極大關注和發展,并被逐步應用于粒子物理實驗、X射線成像和中子成像等領域.與傳統氣體探測器[8]相比,GEM探測器的突出特點是使用GEM膜作為電子倍增結構,電子的雪崩倍增過程獨立于讀出陽極,這使得GEM探測器可以靈活采用各種讀出結構.實際實驗中,GEM探測器常采用二維條讀出結構并結合重心法來進行定位和成像.但是,一方面因為GEM探測器的信號僅由電子漂移感應產生,信號的橫向擴散較小(1—3 mm),為了確保有三根以上的讀出條著火,讀出條間隙需要小于1 mm;另一方面,對高精度位置分辨率(σ＜100μm)的追求,要求讀出條間隙進一步減小,以CERN-COMPASS實驗的GEM探測器[9]為例,其讀出條間隙設計為400μm,以獲得高的位置分辨率(σ～80μm).相較傳統絲室幾個毫米的讀出條間隙而言,GEM探測器的電極密度大大增加,需要匹配龐大的高密度電子學,給探測器的建設、造價、功耗、空間利用等方面帶來極大困難.國內外一直在探尋和發展新型的讀出結構和讀出方法以達到節省電子學的目的,如延遲線讀出[10]、楔條陽極讀出[11]等.

阻性讀出是一種傳統的讀出方法,有一維阻性條、二維阻性平面等[12]多種電極結構.與常用的導體讀出電極不同,探測器感應電荷在阻性結構上不會被立刻收集,而是存在一個連續擴散過程,再結合電荷分配法便可實現位置定位.大尺寸單Pad阻性單元結構(如60×60 mm2)現今仍被廣泛應用于微通道板探測器[13](micro-channel plates,MCP)和位置靈敏硅探測器[14](position sensitive silicon detector,PSSD)等諸多探測器的讀出上.特別地,為了降低新型微結構氣體探測器普遍存在的打火現象,阻性讀出概念備受重視.

德國錫根大學的Sarvestani等[15?17]將單Pad四角讀出阻性單元小型化(10×10 mm2)并做陣列擴展后,應用于Micro-CAT氣體探測器,在節省電子學的基礎上實現了較好的位置分辨率(σ～200μm).我們利用GEM探測器對阻性陽極讀出方法進行了深入的研究:原理探測器(包含一個基本重建單元)實驗的測試結果證明了阻性陽極讀出方法用于GEM探測器的可行性[18];對阻性陽極讀出板的優化設計進一步改善了原理探測器的各項性能[19].

本文主要介紹對多單元結構的阻性陽極讀出GEM探測器的研究,輔以新的多路電子學和觸發系統以及改進的重建算法[20],通過對位置分辨率、位置非線性等探測器性能的分析來研究這種阻性陽極讀出方法的二維成像性能和用于大面積成像的可行性.

2 實驗裝置

2.1 探測器結構

阻性陽極讀出GEM探測器的基本結構如圖1所示,自上而下依次為入射窗、陰極、三層GEM膜和陽極.入射窗為100μm厚的透明Mylar膜,陰極由50μm厚的鋁箔拉制而成,GEM 膜為購自CERN的100×100 mm2帶框標準GEM膜,陽極為自行設計研制的阻性陽極.探測器采用分立供電模式,利用兩塊C.A.E.N.N1471H高壓插件的7路輸出分別給陰極和三層GEM膜提供負高壓,陽極引出信號至讀出電子學系統.探測器的工作氣體為Ar/CO2(70/30),工作在流氣模式下.正常工作時,入射粒子在漂移區發生電離,產生的原初電離電子在漂移區電場的作用下向GEM膜漂移.電子在GEM膜的小孔中雪崩倍增,經三層GEM膜級聯放大后,增益可達104—105.第三層GEM膜對正離子起到了良好的屏蔽效果,探測器信號主要由電子在感應區的漂移產生.

圖2為實驗所用阻性陽極的基本單元結構示意圖,黑色5.8 mm×5.8 mm的方塊區域為高方阻(150 k?/□)的Pad,紫色0.2 mm×6 mm的窄線區域為低方阻(1 k?/□)的Strip,灰色小方塊(位于背面)為信號讀出電極.感應電荷在高方阻Pad上擴散,低方阻Strip起到限制電荷向相鄰Pad上擴散的作用,最后電荷被Pad四角處的讀出電極(Node)收集.實驗中所用的阻性陽極包括6×6個基本單元,采用厚膜電阻工藝在1 mm厚的陶瓷板上高溫(825℃)燒制而成.

圖1 (網刊彩色)阻性陽極GEM探測器整體結構示意圖Fig.1.(color online)Whole structure diagram of the GEM detector using the resistive anode.

圖2 (網刊彩色)阻性陽極基本單元結構示意圖Fig.2.(color online)Structure diagram of the basic resistive anode cell.

2.2 讀出電子學

探測器讀出電子學系統[21]如圖3所示,它基于6U-VME 64x規范設計,由VME機箱、插件、交換機、數據獲取計算機等組成.事例信號(負信號)由圖2中的Node引出,經隔直電容后送入電荷靈敏前放(Signal PreAmp)放大,再送入電荷測量插件(charge measure,CM)處理.在CM插件里,信號被進一步放大,并進行濾波成形((CR)-(RC)3),再通過一個10-bit的FADC以40 MHz時鐘頻率進行連續的等間隔取樣和瞬時數字化,數字化結果被送入數字流水線(Pipeline)中.若有Trigger信號到來,Pipeline中的數據在FPGA邏輯控制下,在指定時間窗(約1.5μs)內尋峰,將峰值最大的ADC值寫入Bu ff er以待PowerPC讀取.

圖3 探測器電子學示意圖Fig.3.Schematic diagram of the electronics.

GEM探測器的一大優點是可以利用自身GEM膜上的信號做觸發,而不需要額外的探測器(如閃爍體等)提供觸發信號.實驗中利用GEM探測器的這一特點,使用第三層GEM膜下表面上的信號作為觸發信號(正信號),實現了探測器的自觸發[22].為了防止同一事例產生多次觸發以及信號堆積,采用設置veto time(約 2μs)的方式處理觸發信號,即第一次過閾后,忽略veto time內的所有其他觸發信號.觸發信號同樣經過一個電荷靈敏前放(Trigger PreAmp)后送入控制和刻度插件(control and calibrate,CAC).CAC插件將觸發信號進一步放大,做閾值甄別后轉換為觸發電平(LVPECL電平,200 ns)信號輸出,同時還輸出開始信號和時鐘信號.三種控制信號經過扇入扇出插件(fan in/out,FIO)后,分發到多個CM插件以控制數據獲取進程.圖4為利用55Fe放射源(5.9 keV)獲取的觸發信號示波器圖片,為了確保觸發的質量和數量,觸發信號、觸發電平信號和事例信號必須嚴格一一對應.

圖4 (網刊彩色)觸發信號示波器截圖,利用55Fe放射源(5.9 keV)取得 黃線為觸發前放的輸出信號,綠線為CAC插件輸出的觸發電平信號,紅線和藍線為兩路信號前放輸出的差分信號的正相端信號(事例信號)Fig.4.(color online)Oscilloscope photo of the trigger signal by using the55Fe source(5.9 keV).The yellow line is the trigger signal after the Trigger PreAmp.The green line is the trigger signal level after the CAC.The red and blue lines are the event signals after the Signal PreAmp.

2.3 電子學基線和刻度

為了消除或減弱讀出電子學系統對探測器測試的影響,需要對電子學的基線和通道一致性進行分析.

電子學基線會影響通道電荷測量的準確性,實驗數據需要先扣除基線.實驗中采用本底取數的方式獲得電子學基線:在無放射源的情況下,設置ADC閾值為0,取數10萬次,以各通道取數的高斯擬合均值作為對應通道的基線參考值.圖5為一次實驗中對電子學基線的測量結果,圖5(a)為第15個通道的基線測量結果,本底計數符合高斯分布,其擬合結果為(28.87±0.558)LSB;圖5(b)為對實驗中用到的所有49路通道的基線均值的統計,高斯擬合結果為(33.17±2.07)LSB.這種用本底取數計算基線的不足是不能反映基線的實時變化,但已具有足夠的參考意義,實驗時在每次取數前先進行一次本底取數.

阻性陽極讀出方法根據各通道獲得的電荷信息并結合重心法來實現位置定位,因而電子學的通道一致性對實驗測量非常重要,必須要通過刻度和校準來減弱和消除通道間的差異.

圖5 (網刊彩色)電子學基線測量圖 (a)第15路通道的基線取數與高斯擬合結果;(b)統計所有49路通道的基線均值,并用高斯分布進行擬合Fig.5.(color online)Measurements of the electronics baseline:(a)Baseline of the fifth channel with a gauss fitting;(b)baseline mean value statistics of the total 49 channels with a gauss fitting.

圖6 (網刊彩色)電子學刻度圖 (a)49路電子學通道的輸入和輸出線性關系;(b)6(a)中49路通道線性擬合的斜率的統計結果,并用高斯分布進行擬合Fig.6.(color online)Electronics calibration:(a)Line relationships between the input DAC and the output ADC of the total 49 channels;(b)slopes statistics of the 49 lines in the Fig.6(a)with a gauss fitting.

讀出電子學系統具有刻度功能(CAC插件),通過模擬探測器的輸出電荷大小(DAC),經過與真實事例信號相同的處理過程后,獲得對應的電子學輸出值(ADC).通過步進掃描的方式便可獲得電子學各通道對輸入電荷的響應情況.電子學各通道刻度掃描結果如圖6(a)所示,各通道的線性非常好,但各通道的斜率并不一樣.圖6(b)進一步統計了圖6(a)中所有通道線性擬合的斜率,并用高斯分布進行擬合,結果為3.139±0.109,各通道間存在一定偏差.為了保證電子學各通道電荷測量的一致性和均勻性,需要利用刻度掃描獲得的線性關系將各通道獲得的電荷信息反向刻度回輸入值.同基線測量一樣,在每次取數前需要對電子學進行線性刻度.

3 實驗結果

3.1 實驗設置

利用55Fe放射源(5.9 keV)驗證探測器可以正常工作后,為了獲得高的計數率,我們利用X光機(8 keV)來研究探測器的位置分辨率和二維成像性能.X光機實驗的實驗裝置如圖7所示,其中圖7(a)為裝置的示意圖,圖7(b)為實物圖.狹縫(40μm)緊貼在探測器的入射窗上,X光機(8 keV)緊貼在狹縫上,其發出的X射線經過狹縫后垂直射入探測器中,經過GEM探測器的雪崩倍增之后,在阻性陽極上會形成狹縫的像,根據成像效果可進一步分析探測器的位置分辨率等性能.

圖7 (網刊彩色)X光機實驗裝置圖 (a)裝置示意圖;(b)裝置實物圖Fig.7.(color online)X-ray matchine test equipments:(a)The schematic of the test;(b)the real photo of the test.

3.2 位置分辨率

位置分辨率是反映探測器成像性能的一個重要參數,測量位置分辨率的常用方法是利用束流望遠鏡系統分析被測探測器對入射粒子徑跡的分辨能力,但是受限于束流裝置和束流時間等因素,人們也常用狹縫、刃邊等方法來測量探測器的位置分辨率[23].本實驗中,我們利用狹縫成像的方法來分析采用阻性陽極讀出方法的GEM探測器的位置分辨率性能.其基本原理是,探測器測量到的入射粒子分布(實驗分布,M(x′))可以看作入射粒子射入探測器之前的分布(真實分布,T(x))與探測器響應函數(R(x,x′))的卷積[24]:

根據中心極限定理,探測器響應函數(即探測器的測量誤差)服從標準正態分布:

其中σ表征探測器的本征位置分辨率.

假設T(x)已知,則R(x,x′)的參數可通過對實驗數據的擬合得到.例如,假設真實分布為δ分布,即T(x)=δ(x?x0),則即實驗分布與探測器的響應函數一致.換句話說,可以通過對一個無窮細狹縫的成像來獲得R(x0,x′),實驗中利用一個非常細的狹縫(40μm)來近似δ分布.

圖8 (網刊彩色)X光機(8 keV)對40μm寬鋼制狹縫的二維成像圖 狹縫厚度為9 mm,粉色虛框與數字代表Y方向高阻Pad的相對位置Fig.8.(color online)Two dimensional imaging of the 40μm slot by using the X-ray matchine(8 keV).The thickness of the slot is 9 mm.The pink dashed frames and numbers represent the relative positions of the pads with high surface resistivity along Y axis.

圖8為用X光機(8 keV)對該40μm寬狹縫的二維成像結果,狹縫沿Y方向覆蓋了多個阻性單元,粉色虛框表示阻性單元的Y向相對位置.如前文所述,利用高斯分布對圖8中標記為2處對應阻性單元內的狹縫成像實驗數據在X方向上的投影進行擬合,結果如圖9所示,其中標準偏差為:σ=73.53μm.由于狹縫并非理想的無窮細狹縫,且X光機發出的X射線也非均勻單色光,狹縫在讀出陽極上的成像會有一定的投影放大.狹縫對探測器位置分辨率的貢獻近似為均勻分布,可以通過經驗公式

來扣除.其中,σ為實驗獲得的位置分辨率,σD為探測器的本征位置分辨率,W為狹縫的寬度,易得σD=72.62μm.這表明阻性陽極讀出方法具有與二維條讀出結構相比擬的位置分辨率性能,而阻性陽極結構的基本單元尺寸比條讀出結構大1—2個數量級,因而可以達到節省電子學的目的.

圖9 (網刊彩色)采用阻性陽極讀出方法的GEM探測器位置分辨率測量結果 擬合數據為圖8中標記為2處對應的阻性單元內的狹縫成像數據Fig.9.(color online)Spatial resolution of the GEM detector using the resistive anode readout method.The fitting data is from the imging of the slot with mark2 in the Fig.8.

表1 圖8中各阻性單元內狹縫成像數據位置分辨率的擬合結果Table 1.Spatial resolution fitting results of the different slot imaging parts shown in the Fig.8.

進一步分析圖8中4個標識對應的阻性單元內狹縫成像數據的位置分辨率,結果如表1所列:探測器的位置分辨率好于80μm;且不同阻性單元內的位置分辨率一致性較好.表1中的均值(μ/mm)一欄同時反映了探測器Y向的成像線性,其偏差小于0.6%,考慮到狹縫自身上下兩端處的加工缺陷,這一偏差已經足夠好,預期探測器具有良好的成像能力.

3.3 位置線性

位置線性是影響探測器成像性能的另一重要參數,對大面積成像尤為重要.阻性陽極讀出方法內稟的枕形失真現象和阻性讀出板面電阻率的均勻性都會影響探測器的位置線性,我們通過改進重建算法和優化阻性陽極讀出板的設計獲得了好的位置線性[19].

圖10 (網刊彩色)阻性陽極讀出板X方向位置線性掃描結果,數據來自X光機(8 keV)對40μm狹縫的成像結果 (a)對所有6個阻性單元的位置線性掃描結果;(b)對一個阻性單元內部的位置線性掃描結果,對應圖9(a)的藍色虛框位置Fig.10.(color online)Scanning of the position linearity of the detector along X axis,the data is from the slot imaging by using the X-ray matchine:(a)Scanning of all 6 resistive cells;(b)detailed scanning of a single resistive cell which is the blue dashed frame shown in the Fig.9(a).

為了研究探測器的位置線性,利用X光機(8 keV)對狹縫(40μm)做步長為1 mm的步進掃描成像,并分析設定位置和測量位置之間的線性關系.定義探測器的位置非線性為測量位置與對應線性擬合值之間的偏差:

其中,δ為探測器的位置非線性,xM為設定位置對應的測量值,xF為設定位置對應的線性擬合值,L為阻性單元的邊長(6 mm).

圖10為位置線性掃描的結果,其中圖10(a)為對整塊阻性讀出板6個阻性單元的掃描結果,位置非線性為1.26%;圖10(b)為對圖10(a)中藍色虛框處阻性單元內部的掃描結果,位置非線性為1.49%.結果顯示探測器在單個阻性單元和整個陽極平面上都具有良好的線性性能,這進一步表明了探測器具有很好的成像潛力.

圖11 (網刊彩色)探測器二維成像圖,利用X光機(8 keV)取數獲得 (a)一個鑰匙的X射線成像圖;(b)8個排針的X射線成像圖,排針間距為2.54 mm,排針直徑為0.5 mmFig.11.(color online)Two dimensional imaging by using the X-ray matchine(8 keV):(a)Imaging of a key;(b)imaging of 8 pins with the pitch 2.54 mm and the diameter 0.5 mm.

3.4 二維成像能力

相較分立式二維條讀出電極結構,阻性陽極讀出方法的電極是連續的,雖然利用低阻條來限制電荷在相鄰高阻Pad之間的擴散,但是電荷在整個阻性平面上的擴散仍是連續的,因而它的成像也是連續的,更適合應用于二維成像領域.我們同樣利用X光機(8 keV)來研究探測器的二維成像性能,將成像物體黏貼在探測器入射窗上,X光機距離探測器約80 cm以使得X射線光斑可以覆蓋整個陽極平面.

圖11為探測器的X射線成像結果,其中圖11(a)為對一個鑰匙的成像圖片,圖11(b)為對8個排針的成像圖片.探測器對兩者的整體成像效果都很好,沒有明顯畸變.圖11(a)中鑰匙的邊緣齒痕形狀清晰準確,圓形區域也沒有畸變.圖11(a)左上角的白色缺陷是因為上下兩個高阻Pad的電氣連接不夠好導致的,在后續的制板中需要改進消除.圖11(b)中排針的直徑為0.5 mm,間距為2.54 mm,平行的排針成像反映了探測器具有良好的均勻性和線性.

4 結 論

本文利用GEM探測器研究了阻性陽極讀出方法用于多單元大面積二維成像領域的可行性.我們利用X光機對采用這種讀出方法的GEM探測器進行了系統的測試研究:探測器的位置分辨率可好于80μm,與采用二維條讀出結構的探測器性能相當;探測器的位置非線性好于1.5%,表明探測器具有良好的成像均勻性;探測器對實物的成像實驗則進一步證明其具有很好的二維成像能力.

實驗結果表明這種阻性陽極讀出方法在節省電子學的前提下完全適用于大面積二維成像領域,這為氣體探測器(尤其是二維射線成像探測器)的讀出提供了新的備選方案.下一步可以考慮將阻性單元的尺寸和數量進一步增大,以覆蓋更大的靈敏面積并推廣應用于實際領域,如X射線成像和中子成像等.

特別感謝盛華義老師和呂新宇博士在電子學系統上的悉心指導和幫助,感謝修青磊博士在重建算法上的討論!

[1]Sauli F 1997Nucl.Instrum.Meth.A386531

[2]Dong J,Lü X Y,Liu B,Liu R G,Ma X Y,Wang L,Chen Y B,Ouyang Q,Xie Y G 2010Acta Phys.Sin.596029(in Chinese)[董靜,呂新宇,劉賁,劉榮光,馬驍妍,王嵐,陳元柏,歐陽群,謝一岡2010物理學報596029]

[3]Fan S N,Wang B,Qi H R,Liu M,Zhang Y L,Zhang J,Liu R G,Yi F T,Ouyang Q,Chen Y B 2013Acta Phys.Sin.62122901(in Chinese)[范勝男,王波,祁輝榮,劉梅,張余煉,張建,劉榮光,伊福廷,歐陽群,陳元柏 2013物理學報62122901]

[4]Fan R R,Hou F J,Ouyang Q,Fan S N,Chen Y B,Yi F T 2012Acta Phys.Sin.61092901(in Chinese)[樊瑞睿,侯鳳杰,歐陽群,范勝男,陳元柏,伊福廷 2012物理學報61092901]

[5]Yang H R,Hu B T,Duan L M,Xu H S,Li C Y,Li Z Y,Zhang X D 2008Acta Phys.Sin.572141(in Chinese)[楊賀潤,胡碧濤,段利敏,徐瑚珊,李春艷,李祖玉,張小東2008物理學報572141]

[6]Shekhtman L 2002Nucl.Instrum.Meth.A494128

[7]Maxim T 2013Modern Phys.Lett.A281340022

[8]Liu J B 2005Ph.D.Dissertation(Beijing:University of Chinese Academy of Sciences)(in Chinese)[劉建北 2005博士學位論文(北京:中國科學院大學)]

[9]Altunbas M C 2002Nucl.Instrum.Meth.A490177

[10]Guedes G P,Breskin A,Chechik R,Vartsky D,Bar D,Barbosa A F,Marinho P R B 2003Nucl.Instrum.Meth.A513473

[11]Zhang A W,Bhopatkar V,Hansen E,Hohlmann M,Khanal S,Phipps M,Starling E,Twigger J,Walton K 2016Nucl.Instrum.Meth.A81130

[12]Doke T,Kikuchi J,Yamaguchi H,Yamaguchi S,Yamamura K 1987Nucl.Instrum.Meth.A261605

[13]Lampton M,Carlson C W 1979Rev.Sci.Instrum.501093

[14]Banu A,Li Y,McCleskey M,Bullough M,Walsh S,Gagliardi C A,Trache L,Tribble R E,Wilburn C 2008Nucl.Instrum.Meth.A593399

[15]Sarvestani A,Besch H J,Junk M,Meissner W,Pavel N,Sauer N,Stiehler R,Walenta A H,Menk R H 2008Nucl.Instrum.Meth.A419444

[16]Wagner H,Besch H J,Menk R H,Orthen A,Sarvestani A,Walenta A H,Walliser H 2002Nucl.Instrum.Meth.A482334

[17]Wagner H,Orthen A,Besch H J,Martoiu S,Menk R H,Walenta A H,Werthenbach U 2004Nucl.Instrum.Meth.A523287

[18]Dong M Y,Xiu Q L,Liu R G,Zhang J,Ouyang Q,Chen Y B 2013Chin.Phys.C37026002

[19]Ju X D,Dong M Y,Zhao Y C,Zhou C X,Ouyang Q 2016Chin.Phys.C40086004

[20]Xiu Q L,Dong M Y,Liu R G,Zhang J,Ouyang Q,Chen Y B 2013Chin.Phys.C37106002

[21]Ju X D 2016Ph.D.Dissertation(Beijing:University of Chinese Academy of Sciences)(in Chinese)[鞠旭東 2016博士學位論文(北京:中國科學院大學)]

[22]Zhao Y C,Dong M Y,Ju X D,Zhou C X,Ouyang Q,Zhao S J 2016Nucl.Electron.Detect.Technol.36565(in Chinese)[趙逸琛,董明義,鞠旭東,周傳興,歐陽群,趙書俊2016核電子學與探測技術36565]

[23]Lü X Y,Fan R R,Chen Y B,Ouyang Q,Liu R G,Liu P,Qi H R,Zhang J,Zhao P P,Zhao D X,Zhao Y B,Zhang H Y,Sheng H Y,Dong L Y 2012Chin.Phys.C36228

[24]Zhu Y S 2006Probability and Statistics in Experimental Physics(Beijing:The Science Publishing Company)p148(in Chinese)[朱永生2006實驗物理中的概率和統計(北京:科學出版社)第148頁]