CN111239792A

CN111239792A - 一种侧窗式穿越辐射气体探测器

Info

Publication number: CN111239792A
Application number: CN202010043941.9A
Authority: CN
Inventors: 刘宏邦; 刘熙文; 封焕波; 刘倩; 梁恩维
Original assignee: Guangxi University; University of Chinese Academy of Sciences
Current assignee: Guangxi University; University of Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: CN111239792B

Abstract

一种侧窗式穿越辐射气体探测器，该探测器的辐射体是由箔片材料和垫片框组成，将箔片材料粘结到垫片框上，再把每层箔片叠加在一起，形成不同介电常数的材料堆叠的多层结构的有规则辐射体；气体探测器包括场笼、双层厚型气体电子倍增膜板和阳极板和腔室，场笼是由PCB板拼接而成，场笼内部的顶面为覆铜的阴极板，侧面布有等间距的铜条，每层铜条通过固定值电阻连接，腔室和阳极板经过螺丝拧紧后形成密闭的气体探测器；读出电子学系统包括前端板和后端数据采集板。采用本发明能够有效地区分出穿越辐射光子的信号，对高能带电粒子进行能量标定。具有易大面积制作、高计数率、空间位置分辨达到亚毫米级的优点。

Description

一种侧窗式穿越辐射气体探测器

技术领域

本发明涉及一种气体探测器，具有涉及一种侧窗式穿越辐射气体探测器，属于粒子探测领域。

背景技术

空间高能宇宙线实验量能器绝对能标的确定对精确测量能谱极为重要，特别是对于TeV能段宇宙线的绝对能标研究工作，非常有必要在空间实验上进行。穿越辐射探测器(Transition Radiation Detector，TRD)可用来标定空间实验量能器能量，可以极大地提高量能器的TeV能区宇宙线测量精确度，可应用于未来的大型空间宇宙线直接探测实验，作为未来大型空间实验的技术储备。

目前，穿越辐射探测器在高能粒子物理和天文观测实验得到广泛应用，但多数用于粒子鉴别。当带电粒子快速穿过不同介质的交界面时会产生穿越辐射光子，通过测量这些光子的能量来分辨粒子的种类。目前，穿越辐射探测器主要有稻草管气体探测器和多丝正比室气体探测器。它们都是丝室结构的探测器，其结构复杂、工艺苛刻、时间响应慢、计数率受到限制、空间位置分辨差，同时丝还存在易老化的问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种侧窗式穿越辐射气体探测器，能够有效区分出穿越辐射光子的信号，得到穿越辐射光子的能量，能对高能带电粒子进行能量标定。同时，具有易大面积制作、高计数率、结实耐用、空间位置分辨达到亚毫米级的优点。

本发明的技术方案是：一种侧窗式穿越辐射气体探测器，组成元件包括辐射体、气体探测器以及读出电子学系统，所述组成元件具体结构和连接关系为：

所述辐射体是由箔片材料和垫片框组成，将箔片材料粘结到垫片框上，再把每层箔片叠加在一起，形成不同介电常数的材料堆叠的多层结构的有规则辐射体。

所述气体探测器包括场笼、双层厚型气体电子倍增膜板和阳极板和腔室，场笼是由PCB板拼接而成，场笼内部的顶面为覆铜的阴极板，侧面布有等间距的铜条，每层铜条通过固定值电阻连接，腔室和阳极板经过螺丝拧紧后形成密闭的气体探测器，辐射体经过螺丝固定到气体探测器腔室前窗口前端，工作时，在场笼的阴极板上加高压使场笼内形成均匀的电场，用螺柱依次把场笼和双层的厚型气体电子倍增膜板固定在阳极板上，使场笼的阴极板到第一厚型气体电子倍增膜板上表面形成漂移区，第一厚型气体电子倍增膜板下表面到第二厚型气体电子倍增膜板上表面形成过渡区，第二厚型气体电子倍增膜板下表面到阳极板形成感应区；

工作时，将负高压由高到低加载到场笼阴极板电极上、第一厚型气体电子倍增膜板的上电极和下电极上、第二厚型气体电子倍增膜板的上电极和下电极上，阳极板上的电信号从阳极板的底端引出，阳极板的读出方式为一维条读出，条的方向与入射粒子方向垂直，阳极板收集到的电信号经过走线引出，通过ERNI连接器与电子学系统连接，密闭的气体探测器内充有工件气体；

所述读出电子学系统包括前端板和后端数据采集板，前端板和后端数据采集板之间通过光纤线进行连接。前端板主要有AGET芯片、模拟数字转换器、光纤网络转换器；后端数据采集板主要有光纤网络转换器和FPGA芯片。

所述箔片材料选用聚丙烯，垫片框选用PCB垫片框，选用空气作为间隙材料，使用胶水把聚丙烯箔片粘到PCB垫片框上，再把每层箔片叠加在一起，用螺丝固定形成多层结构的辐射体。

所述密闭的气体探测器内充有工件气体以惰性气体为主，并加以少量淬灭性气体。

所述密闭的气体探测器内充有工件气体的惰性气体是氩气、氖气或氙气中的任意一种；淬灭性气体是异丁烷、二氧化碳、四氟化碳或二甲醚中的任意一种。

所述阳极板块的读出方式还能够设计为二维条读出和二维点读出。

所述腔室的侧前面和侧后面都开有侧窗，利用薄的塑料膜粘着开口形成窗口。

所述阴极板到第一厚型气体电子倍增膜板上表面形成漂移区的厚度在5～10cm的范围，第一厚型气体电子倍增膜板下表面到第二厚型气体电子倍增膜板上表面形成过渡区的厚度在2～10mm的范围；第二厚型气体电子倍增膜板下表面到阳极板形成感应区的厚度在1～5mm的范围。

本发明的有益效果在于：

(1)由于采用厚型气体电子倍增膜板作为电子倍增器件，厚型气体电子倍增膜板的空间分辨好、计数率高、易大面积制作、结实耐用。所以，使本发明的侧窗式穿越辐射气体探测器不仅具有良好的空间分辨和较高的计数率上限，还提高了使用寿命。

(2)由于采用了侧窗入射设计，带电粒子水平入射，产生穿越辐射光子。根据带电粒子沉积能量和X射线沉积能量分布的不同，能够有效区分X射线的信号，提高X射线信号的明显度，可实现对高能带电粒子的绝对能量标定。

(3)由于厚型气体电子倍增膜板可以使用其他微结构气体倍增膜板，如气体电子倍增膜板、微网倍增膜板代替，也可以级联使用。所以使得本发明的可以根据带电粒子的种类、强度、能量来调整，从而满足不同场合穿越辐射探测的应用需求。

附图说明

图1是本发明所述的侧窗式穿越辐射气体探测器的一个具体实施例的结构示意图。

图中标记含义:1-辐射体、2-气体探测器、3-读出电子学系统。

图2是本发明所述的侧窗式穿越辐射气体探测器的另一个具体实施的结构示意图。

图中标记含义:4-腔室、5-场笼、第一厚型气体电子倍增膜板6、第二厚型气体电子倍增膜板7、8-阳极板。

图3是本发明所述的侧窗式穿越辐射气体探测器的电子学工作原理图。

图中标记含义：9-探测器、10-前端板、11-后端数据采集板、12-电脑、13-AGET芯片、14-电荷灵敏放大器、15-滤波成型电路、16-甄别器、17-FPGA芯片、18-光纤网络转换器、19-光纤线、20-以太网收发器、21-以太网线。

图4是本发明所述的侧窗式穿越辐射气体探测器的工作原理图。

图中标记含义：22-阴极板、23-侧窗、6-厚型气体电子倍增板A、7-厚型气体电子倍增板B、8-阳极板、24-辐射体、25-带电粒子、26-X射线、27-漂移区、28-孔。

图5是利用本发明所述的侧窗式穿越辐射气体探测器的对50GeV的电子进行测量得到的结果图。其中，(a)是仅有50GeV电子能损的沉积能量分布；(b)是50GeV电子能损的沉积能量和穿越辐射光子能量分布。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明所述的侧窗式穿越辐射气体探测器，包括辐射体1、气体探测器2以及读出电子学系统3。具体结构和连接关系为：

所述辐射体1是由多层不同介电常数的材料堆叠形成多层结构的有规则辐射体，其箔片材料选用了聚丙烯，并选用了空气作为间隙材料。使用胶水把聚丙烯箔片粘到PCB垫片框上，再把每层箔片叠加在一起，用螺丝固定形成多层结构的辐射体。

所述气体探测器2包括腔室4、场笼5、第一厚型气体电子倍增膜板6、第二厚型气体电子倍增膜板7和阳极板8，所述场笼5是由五块PCB板拼接而成，场笼5内部的顶面为覆铜的阴极板22，四个侧面布有等间距的铜条，每层铜条通过固定值电阻连接。工作时，在场笼5的阴极板22上加高压使场笼5内形成均匀的电场。用螺柱依次把场笼5、第一厚型气体电子倍增膜板6和第二厚型气体电子倍增膜板7固定在阳极板8上，使场笼5的阴极板到第一厚型气体电子倍增膜板6上表面形成漂移区27，其厚度在5～10cm的范围；第一厚型气体电子倍增膜板6下表面到第二厚型气体电子倍增膜板7上表面形成过渡区29，其厚度在2～10mm的范围；第二厚型气体电子倍增膜板7下表面到阳极板8形成感应区30，其厚度在1～5mm的范围。腔室4和阳极板8经过螺丝拧紧后形成密闭的气体探测器。腔室4的侧前面和侧后面都开有侧窗23，利用薄的塑料膜粘着开口形成窗口。辐射体1经过螺丝固定到气体探测器腔室前窗口前端。

工作时，将负高压由高到低加载到场笼阴极板电极上、第一厚型气体电子倍增膜板6的上电极上、第一厚型气体电子倍增膜板6的下电极上、第二厚型气体电子倍增膜板7的上电极上、第二厚型气体电子倍增膜板7的下电极上，阳极板8上的电信号从底端引出。阳极板8的读出方式为一维条读出，条的方向与入射粒子方向垂直。阳极板8收集到的电信号经过走线引出，通过ERNI连接器与电子学系统连接。阳极板8的读出方式还可以设计为二维条读出和二维点读出。

密闭的气体探测器内充有工件气体，工作气体以惰性气体为主，并加以少量淬灭性气体。惰性气体可以是氩气、氖气和氙气中的任意一种；淬灭性气体可以是异丁烷、二氧化碳、四氟化碳、二甲醚中的任意一种。

所述读出电子学系统3包括前端板10和后端数据采集板11。前端板10主要为AGET芯片13；后端数据采集板11主要有FPGA芯片17和光纤网络转换器18。前端板10和后端数据采集板11之间通过光纤线19进行连接。探测器9与前端板10通过硬连接，直接插入的方式连接。后端数据采集板11与电脑12通过以太网线21进行连接。光纤线19可直接扎入光纤网络转换器18中。以太网线21可直接插入以太网收发器20与电脑12中。前端板10中的AGET芯片13、电荷灵敏放大器14、滤波成像电路15、甄别器16、FPGA芯片17与光纤网络转换器18通过印刷在前端板10内部电路线进行连接。后端数据采集板11中的光纤网络转换器18、FPGA芯片17与以太网收发器20之间通过印刷在后端数据采集板内部电路线进行连接。

工作原理及过程：

当高能带电粒子通过辐射体产生穿越辐射Ⅹ射线，带电粒子25和Ⅹ射线26经过腔室窗口23进入到漂移区27，如图4所示。对于带电粒子，与气体发生电离相互作用，其能损处于最小电离区，会在带电粒子路径上产生电子；对于Ⅹ射线26，与气体发生光电效应产生光电子，光电子与气体电离产生电子，X射线的能量会全部沉积下来。电子在漂移区27电场的作用下漂到第一厚型气体电子倍增膜板6和第二厚型气体电子倍增膜板7的孔28内，经第一厚型气体电子倍增膜板6和第二厚型气体电子倍增膜板7倍增放大。放大后的电子在感应区电场作用下向阳极漂移，并在阳极上感应出电子信号。

阳极电子信号从阳极板8引到读出电子学系统3的前端板10。前端板10接收到的信号传到AGET芯片13，信号依次经过电荷灵敏放大器14、滤波成型电路15、甄别器16处理导出模拟信号，再经模型数字转换后传输给FPGA芯片17，数字信号经数据打包后由光纤线19输给后端数据采集板11的FPGA芯片17进行数据的整合与打包，最后通过以太网线21传输给电脑12。

根据带电粒子与X射线在气体探测器的能损不同，它们在阳极板上得到的沉积能量分布不一样。使用50GeV的电子作为高能带电粒子源，经过辐射体后产生穿越辐射X射线。如图5(a)所示，X射线没有在气探测器内沉积能量，只有电子能损沉积的能量。因为高能电子能损处于最小电离区，在阳极板8每路通道上沉积的能量比较小，而且比较均匀；如图5(b)所示，X射线在气体探测器内沉积能量，又有电子能损沉积的量能。因为X射线的能损比较大，但能量少，所以在有电子能损沉积的能量基础上，阳极板8某区域相邻几路通道有较大的能量分布。通过上述的情况，本发明的侧窗式穿越辐射气体探测器能良好区分带电粒子的能量与X射线的能量。

本发明的侧窗式穿越辐射气体探测器，其主要是利用了厚型气体电子倍增膜板的高空间分辨、易大面积制作、结实耐用的特性；采用侧窗入射方式的设计方案，使得侧窗式穿越辐射气体探测器具有优良的穿越辐射探测性能，实现对高能带电粒子的能量标定。

Claims

1.一种侧窗式穿越辐射气体探测器，组成元件包括辐射体、气体探测器以及读出电子学系统，其特征在于，所述组成元件具体结构和连接关系为：

所述辐射体是由箔片材料和垫片框组成，将箔片材料粘结到垫片框上，再把每层箔片叠加在一起，形成不同介电常数的材料堆叠的多层结构的有规则辐射体，

所述读出电子学系统包括前端板和后端数据采集板，前端板和后端数据采集板之间通过光纤线进行连接，前端板主要有AGET芯片、模拟数字转换器、光纤网络转换器，后端数据采集板主要有光纤网络转换器和FPGA芯片。

2.根据权利要求1所述的侧窗式穿越辐射气体探测器，其特征在于，所述箔片材料选用聚丙烯，垫片框选用PCB垫片框，选用空气作为间隙材料，使用胶水把聚丙烯箔片粘到PCB垫片框上，再把每层箔片叠加在一起，用螺丝固定形成多层结构的辐射体。

3.根据权利要求1所述的侧窗式穿越辐射气体探测器，其特征在于，所述密闭的气体探测器内充有工件气体以惰性气体为主，并加以少量淬灭性气体。

4.根据权利要求3所述的侧窗式穿越辐射气体探测器，其特征在于，所述密闭的气体探测器内充有工件气体的惰性气体是氩气、氖气或氙气中的任意一种；淬灭性气体是异丁烷、二氧化碳、四氟化碳或二甲醚中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的侧窗式穿越辐射气体探测器，其特征在于，所述阳极板块的读出方式还能够设计为二维条读出和二维点读出。

6.根据权利要求1所述的侧窗式穿越辐射气体探测器，其特征在于，所述腔室的侧前面和侧后面都开了口，利用薄的塑料膜粘着开口形成窗口。

7.根据权利要求1所述的侧窗式穿越辐射气体探测器，其特征在于，所述阴极板到第一厚型气体电子倍增膜板上表面形成漂移区的厚度在5～10cm的范围，第一厚型气体电子倍增膜板下表面到第二厚型气体电子倍增膜板上表面形成过渡区的厚度在2～10mm的范围；第二厚型气体电子倍增膜板下表面到阳极板形成感应区的厚度在1～5mm的范围。