基于国产厚GEM的气体光电倍增管的研制

The gaseous photomultiplier is a hotspot of combinating the micro-pattern gas detector (MPDG) and photo detector in recent years. This work combines the CsI photocathode and the newly developed home-made THGEM to make the 2'' GPM prototypes with ?38mm sensitive area and triple THGEMs。Its gain can reach 1.0×10^6 in Ne/CH4 and 3.0×10^5 in sealed mode with long time stability. By using MaxWELL and Garfield, the photoelectron extraction efficiency and the key geometry parameters of the THGEM, such as the thickness, hole diameter, hole pitch, rim etc., can be simulated and optimized. By adopting the reflective mode photocathode and improving the electrodes and folders structure of the THGEM, the damages due to the ion-feedback and ion bombardment can be reduced. By cooperating with home companies and using the PMT technics for reference, the design, manufacture and encapsulation technics of the GPM are safe to be overcome. In order to achieve long term seal and gain stability, the transition node and metal and nonmetal jointing technics will be applied. The performances of the GPM prototypes at room temperature and various pressures, in low temperature liquid argon, and in flushed and sealed modes will be studied. This work can provide the bases for GPM production and applications in China, such as dark matter detection and X-ray imaging.

气体光电倍增管（GPM）是近年来微结构气体探测器（MPDG）和光探测器相结合的热点之一。本项目整合CsI光阴极和最新开发成功的国产厚GEM，研制2英寸、灵敏面?38mm的GPM样管，三层THGEM在Ne/CH4中增益达到1.0×10^6以上，闭气条件下在3.0×10^5增益较长时间稳定工作。通过MaxWELL和Garfield模拟优化光电子入孔效率，以及THGEM厚度、孔径、间距、rim等关键几何参数。采用反射式光阴极并改进THGEM层极结构减少离子反馈和轰击对光阴极寿命的影响。通过与国内公司合作并结合PMT生产技术，优化GPM设计，并突破其制作和封装工艺，利用过渡节及金属和非金属熔接工艺实现长期的密封和增益稳定性。对GPM样管在常温变压、低温液氩、流气和闭气模式等条件下的性能进行研究，为GPM的国产化和在暗物质探测和X射线成像等领域的应用打下基础。

气体光电倍增管（Gaseous photomultiplier, GPM）是一种新型光探测器件。厚GEM是目前国内发展最好的微结构气体探测器（Micro-pattern gas detectors, MPGDs），其具有增益高，结实耐用，价格低，容易大面积制作等优点。利用气体的雪崩倍增，及在膜表面或透射窗镀光阴极，即可实现反射或透射式的GPM。GPM可用的典型光阴极为CsI，其气体环境适应性较好，有望应用于契仑科夫光、紫外和低温液氙液氩暗物质探测等。..本项目从以下方面展开对GPM的研究，1. THGEM结构设计、参数优化和制作: 通过模拟得出孔间距/孔径（P/D）比在2.0～2.75之间，量子效率可达到63±3%。而漂移电场（Ed）在0～+10 V/mm收集效率最高。陶瓷和PTFE基材厚GEM最适用应用于GPM。2. CsI光阴极镀膜: 系统研究了不同基材、不同镀膜工艺以及不同膜厚对光阴极的影响，得到PCB必须是铜镍金而不能是裸铜的结论，不锈钢也可达到很高的量子效率。对反射式光阴极，量子效率对膜厚不敏感，优化厚度为300～400nm。研究证明湿度对CsI光阴极通过化学反应：CsI+H2O=CsOH+IH↑产生。要减小湿气的影响，必须将湿度控制在10%（60℃烘烤）以下或者用N2保护。在<40%相对湿度下应避免>30分钟的暴露。3. GPM的设计、制作和封装工艺: 基于传统真空光电倍增管（PMT）制作工艺，制作了GPM样管，确认工艺可行性，但高温封装会对THGEM本身造成损坏，同时石英窗口与玻壳、芯柱之间需要通过过渡节或者可伐合金技术连接。4. GPM 的性能研究: 测试了三层THGEM的GPM在Ne+CH4=95:5%气体中，增益可达3.0×10^5，而对液氩LAr的128nm闪烁光波长，量子效率达到50±2%。在低温下，CsI光阴极的量子效率出现下降，当温度低于120K时，CsI的量子效率峰值只有10%左右，而液氩温度为87.3K，这说明CsI光阴极本身在液氩温度下有明显的缺陷。..本项目对基于厚GEM和CsI光阴极的GPM进行了全面的研究，一方面验证了在常温条件下，CsI光阴极GPM具备在液氙178nm和液氩128nm闪烁波长分别高达20%和50%的量子效率，另一方面，也确认了在低于120K温度以下，CsI光阴极的量子效率将明显降低，从而并不利于其实际应用。