多层厚气体电子倍增器研制及其特性研究

The Micro-Pattern Gaseous Detector (MPGD) has been developed to fulfill the stringent requirements imposed by the new generation of nuclear and particle physics experiment. Compared to the previous generation of gaseous detector, MPGD has shown significant improvements in most operation parameters, and very promising application prospect in scientific research and beyond. The THick Gas Electron Multiplier (THGEM) is one of the major MPGD design, and is particularly suitable for large area, and high durability detectors. The Multi-layer THGEM (M-THGEM) is the latest development of such kind of design. While keeping the advantage of THGEM, M-THGEM has even better properties on electron transport, gain, durability and stability, which is worthy of further research and development. This project will study the new M-THGEM technique by experiment test and simulation analysis. The main features of M-THGEM will be measured and compared to MC simulation, in order to understand the operation mechanism of M-THGEM. Special focus will be put on the development of compact M-THGEM detector, and selected important characteristics of M-THGEM detector, including the position and energy resolution, dielectric charging effect and ion back flow (IBF).

微结构气体探测器（MPGD）是适应于新一代粒子物理和核物理实验的新型气体探测技术，在各个主要性能上较前一代探测器有显著提高，具有广阔的科学和应用前景。厚气体电子倍增器（THGEM）是MPGD的主要设计之一，尤其适合大面积、高耐用性的实验需求。多层THGEM（M-THGEM）是最新的设计思路，发展了THGEM的优势性能，并在电子输运、增益、耐用性和稳定性方面有更好的表现，值得深入研究和发展。本项目拟通过实验测试和模拟分析对比，开展M-THGEM的研制和主要特性研究，获得对M-THGEM工作机制的充分认识，研制紧凑型M-THGEM探测器，并在位置和能量分辨、介质充电效应以及阳离子回流等重要性能上进行深度研究。

研制了多种不同类型、不同结构的MTHGEM结构，实现了可扩展的MTHGEM制作技术，研制完成具有灵敏面积不小于100mm*100mm、单极放大、厚度<10mm等参数的MTHGEM样机，并利用X射线源详细测试了多种MTHGEM的气体增益、探测效率、计数率等关键特性。单层MTHGEM样机增益可达10000以上，计数率可达100kHz/mm^2以上。.通过对MTHGEM和THGEM探测器的实验和模拟研究对比，重点分析了影响该类探测器充电效应的主要原因和特性，利用有限元软件（如ANSYS）和气体雪崩放大和输运软件（Garfield++），建立了快速分析充电效应的理论分析模型，相比文献中的计算方法在速度上有数量级的提升。实验研究了通过在THGEM类结构上镀DLC阻性层以改善充电效应的能力和前景，取得了很好的效果，基本消除了充电效应对增益的影响。.利用基于THGEM的穿越辐射探测器开展多项研究。分析了厚漂移区（30mm厚度）结构对带电径迹位置测量的能力，利用基于AGET芯片的读出电子学实测得到约300微米的横向单点位置精度。利用德国DESY的电子束流测试了穿越辐射的电子鉴别能力，在1-5GeV/c动量范围内，取得了很好的电子鉴别效果，为THGEM/MTHGEM类型探测器的应用和发展提供了参考。.根据研究中发现的MTHGEM大面积制作和充电效应抑制中的问题，提出了一种新的微结构气体探测器结构——正比计数器整列（PCa），其制作方法更简单易扩展，气体增益大于10000，在镀DLC阻性层后可完全消除充电效应，且具有<0.1%的阳离子反馈比例，在大面积实验中有发展应用潜力。此外，还开展了井型结构的THGEM/MTHGEM类探测器拓展研究，无需传输区和感应区，获得了更高的增益（>20000）和更紧凑的探测结构。