一种新型双雪崩结构Micromegas探测器的研制

In the late 1990s, due to the development of microelectronics technology, a new type of detector, Micro-pattern gas detector (MPGD) was invented. As a typical one of the MPGD, Micro-mesh Gaseous Structure (Micromegas) has become the research focus in the MPGD filed, because of its perfect performance.University of Science and Technology of China is one of the earliest units that study on Micromegas in China. After several years of research a mature production technology for Micromegas manufacture and a test platform with almost fully function for performance study has been developed. On these basic, this application puts forward a new type of structure with double avalanche gaps, which aims to make two avalanche structures on the both sides of the readout PCB, so that, the double-sided avalanche signals can be used to reduce the locating errors caused by the several mm width drift region, especially when charged particles incident the detector with a large angle.Compared with conventional single-avalanche Micromegas, this new structure will improve the spatial resolution without increasing electronics readout channels. In addition, thanks to neutralization of the tensions of the mesh from the both sides, the warping of readout panel is greatly remitted, which is more conducive to expand the area of detector to larger. With this advantage, the project will develop larger detector (preliminary design is 200 mm ×600 mm), in order to provide a hopeful solution for future large experiments and applications.

20世纪90年代，随着微电子技术的发展，出现了一类新型的微结构气体探测器。Micromegas(Micro-Mesh Gaseous Structure)就是其中典型代表之一，因其性能优异，很快成为气体探测器领域的研究热点。中国科学技术大学是国内最早研制Micromegas的单位之一，经过多年的摸索，发展了一套较成熟制作工艺和基本完善的测试平台。本申请以此为基础，提出一种双雪崩结构的Micromegas探测器的新结构，即分别将读出板的正反面制作成雪崩探测器，利用双面雪崩的电荷信号抵消带电粒子斜入射带来的定位偏差。与单层雪崩结构相比，可以在不增加读出路数的条件下，得到更好的位置分辨能力。同时，正反面丝网对读出板的拉力相互消减，大大减小了读出板的翘曲，更利于实现大面积探测器的研制。利用这一优势，本项目将进行更大面积探测器研制，为未来大型实验和应用的提供可选的方案。

微网格气体探测器（Micromegas）是二十世纪后期发展起来的一种新型气体探测器，因其具有好于100微米的位置分辨、>1E6 Hz/mm2的高计数率、抗辐照、以及易于大面积制作等突出优势，逐渐在越来越多的领域得到推广、研究和应用，如粒子物理实验、缪子成像等。本项目围绕Micromegas探测器制作工艺、背靠背新型Micromegas结构和探测器技术应用的研究主线展开研究。首先研究攻克了Micromegas制作中阻性电极制作和大面积支撑技术等关键技术难题，采用热压接的原创方法，在国内首次完成了从原材料到成品探测器制作的工艺流程及设备的研发，实现了Micromegas探测器的批量化制作。然后基于热压接的探测器制作方法，完成了多个背靠背双雪崩结构的Micromegas制作和性能研究，并深入讨论分析了这种结构的优势及潜在的应用场景。借助背靠背结构抵消丝网张力的特点，完成了200mm×600mm和400mm×400mm较大面积样机的研制。此外，提出并成功研制了基于多层微网的级联雪崩结构（双层微网，DMM；三层微网，TMM）的新型探测器，将微结构气体探测器（MPGD）的正离子反馈压低到~0.003%极低水平。.基于探测器技术的研究成果，研究团队积极开展其在科学实验中的应用研究，将其成功推广应用于大科学装置的建设，为中国散裂中子源研制了中子束流监测器，目前已经成功运行两年。在下一代正负电子对撞机（环形正负电子对撞机CEPC，超级陶粲工厂STCF以及国际直线对撞机ILC）等大科学装置的预研中，本项目研发的DMM和TMM新型探测器，为其粒子鉴别（PID）和高计数率TPC等关键探测器研究提供了一种非常有竞争力的技术选项。在缪子成像研究方面，项目团队利用2D读出的Micromegas探测器，探搭建了一套具有六层宇宙线径迹探测器的缪子成像系统，初步实现检测材料（4mm×4mm×4mm钨块和铜块）的3D成像和材料区分。