气体电子倍增膜(gem)探测器的读出方式

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1、第27卷第1期核电子学与探测技术Vol.27No.12007年1月NuclearElectronics&DetectionTeclnologyJan.2007气体电子倍增膜（GEM）探测器的读出方式111，23，1郑晓翠，李玉兰，来永芳，李金（1.清华大学工程物理系，北京100084；2.防化指挥工程学院，北京102205；3.中国科学院高能物理研究所，北京100049）摘要：作为一种新型微单元结构气体探测器，GEM探测器具有许多优势，其中之一就是其读出方式灵活多样。标准不同，读出方式的分类亦不相同。根据读出方式的不同原理，将GEM探测器的读出方式分为四种，分别介绍了这四种读出方式的基本原

2、理，结构及工作过程，并对它们各自的优缺点作了比较。关键词：GEM，读出方式，TFT，CCD，CMOS中图分类号：TP316文献标识码：A文章编号：0258-0934（2007）01-0089-04GEM（GasElectronMultiplier）膜是Sauli等50!m）。在上下两层铜箔上加一定电压，就能人于20世纪90年代中期发明的一种新型气体在孔中产生强电场（可达到100kV/cm以上），电子倍增膜，利用GEM膜制作的气体探测器被空间电子在电场的作用下漂移，经过孔时发生［1-2］称为GEM探测器。这种探测器对电子有雪崩，从而实现电子增益。5较大的增益系数（三层级联增益可高达10），计

3、数率和空间分辨率可以做得很高，且具有信号读出方式灵活和大面积加工等优点，目前已开始在国际上一些大型高能物理实验中得到重要应用，并在生物、医学和天体物理等领域展现出很好的应用前景。图1GEM膜的俯视图和纵截面电场分布图一个由三层GEM膜组成的探测器如图2!"GEM基本结构和工作原理所示，由上到下分别是漂移极（漂移层）、倍增图1是GEM膜的俯视图和纵截面的电场电极（三层GEM膜）、收集极（感应层）。粒子分布图。可以看到一张GEM膜是由中间一层在其中经历的物理过程为：1）粒子穿过探测绝缘的Kapton膜（标准尺寸为50!m）和上下两器，使其中工作气体发生电离，产生电子-离子层铜箔（标准尺寸为5!

4、m）构成的。通过一定对；2）离子和电子在电场的作用下分别向漂移的工艺在膜上均匀地制作出双锥形的孔，孔间极和倍增电极运动；3）电子经过GEM膜的孔，距为140!m，孔表面直径为70!m，中心直径为发生电子雪崩；4）倍增后的电子继续向下漂移，直至到达收集极。由此可见GEM探测器的两个特点：一是它收稿日期：2005-10-08对电子的增益系数可调，电子经过每层GEM膜基金项目：自然科学基金资助（10575063）都会发生电子雪崩，从而实现电子倍增，那么调作者简介：郑晓翠（1982-），女，广东汕头人，清华大学工程物理系硕士研究生，从事核辐射探测研究整探测器中GEM膜的层数和各层上所加的电89出。

5、图2三层GEM探测器压，就可以调整GEM探测器的增益系数。二是GEM膜上孔及孔与孔之间的距离非常小，探测图3ParaIIeIStrips读出方式器的空间分辨率主要取决于收集极，因此，通过改变读出方式能够实现对GEM探测器空间分辨率的控制。GEM探测器的电子收集极也是其位置灵敏读出电极。读出电极的制作涉及印制电路板技术和微电子技术，形式多样。制作工艺和工作方式不同，GEM探测器的电子收集极对空间分辨率、分辨时间及探测效率等性能皆有影响。图4两种二维读出条的结构图!"GEM探测器读出方式简介对于二维读出条，需要在行和列两个方向都配套后继的电子学系统，通过两个方向的读根据不同的标准，GEM探测器

6、的读出方式出来确定粒子的位置，为了保证定位的精度，应有不同的分类，例如按照“曝光”时间是否可该调整上下表面露出铜的面积或电压，使得上控，可将GEM探测器的读出方式分为脉冲型和下表面收集到的电荷量尽可能相等。显然，读积分型，而按收集信号的种类，又可将GEM探出条的宽度和间距也就决定了探测器的空间分测器的读出方式分为电子型和光子型。本文根辨率。对于GEM探测器，通过电荷重心法处理据读出方式的不同原理将其分为：l）采用平行后的位置分辨率可以达到几十!m量级。读出条（ParaIIeIStrips）或者电极盘阵列（PadsPads阵列本身就是二维的读出，可以理解Array）读出；2）采用薄膜场效应管

7、（ThinFiIm为将一个平面划分为许多像素，每个像素对应Transistor，简称TFT）控制的电极盘阵列读出；一个Pad，每个Pad都有配套的电子学系统。3）CMOS读出方式；4）CCD读出方式。每种方显然和二维的平行读出条相比，Pads阵列不存式各有特点。在上下表面的面积调整问题，因此位置精度可2.l采用平行读出条或者Pads阵列读出以做得更好，但是由于每个Pad都要占用一个平行读出条或者Pads阵列是最简易的读电