[发明专利]自淬灭打火放大单元、其制备方法、探测器及应用

说明书

一种自淬灭打火放大单元、其制备方法、探测器及应用，包括：印刷电路板基材；第一类金刚石碳基薄膜，位于印刷电路板基材上下表面；通孔，贯穿印刷电路板基材上下表面；第二类金刚石碳基薄膜，位于所述第一类金刚石碳基薄膜表面和通孔壁上。本发明提升了探测器抑制打火的能力、极大地提高了THGEM探测器的增益稳定性，简化了阻性THGEM探测器的制作工艺，降低了制作成本，对THGEM探测器的实际应用具有积极的推动作用。

技术领域

本发明涉及微结构气体探测器领域，尤其涉及一种自淬灭打火放大单元、其制备方法、探测器及应用。

背景技术

微结构气体探测器(Micro-Pattern Gaseous Detector，简称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器，其各项主要性能较以多丝正比室为代表的上一代气体探测器有显著提高，具有广阔的应用前景。厚型气体电子倍增器(Thick GaseousElectron Multiplier，简称THGEM)是MPGD中用的较为广泛的一种，其关键部件是THGEM放大单元，这种放大单元使用印刷电路板(Printed Circuit Board，简称PCB)工艺制成。可根据应用需求选择不同的材料来作为THGEM放大单元的基材，如电木板、环氧树脂、陶瓷等。THGEM放大单元所使用的基材典型厚度为0.4mm～1mm，基材两面经过清洗处理后用化学方法和电解法镀铜，铜的厚度在几十微米左右；用机械(或激光)钻孔的方式打出0.3mm～1mm直径的孔，孔与孔之间的距离为0.7mm～1.2mm；然后用化学方法将孔周围的铜刻蚀掉一部分，形成围绕孔的圆环状无铜区域(英文名称为rim)，rim的宽度为几十微米至百微米不等；最后为了防止铜的表面氧化，通常还要做防氧化工艺处理，如在铜的表面镀金或者镀锡。

单张THGEM放大单元装配成的THGEM探测器的增益即可达到10⁴，此外THGEM探测器还具有百微米量级的位置分辨能力和10纳秒量级的时间分辨能力，因此THGEM探测器在高能物理实验中具有广泛的应用前景，如带电粒子径迹探测、气体光电探测等。然而实验研究也表明THGEM探测器还存在一些比较严重的缺点，如有rim的THGEM放大单元，在连续受到高能粒子源照射时，由于电荷在孔内壁和rim上堆积而改变电场，使得THGEM的增益会随时间发生明显的变化，这称之为充电效应。而无rim型THGEM放大单元则因为电荷堆积只存在于孔内壁，因此充电效应比有rim的THGEM放大单元小很多，通常在10分钟之内增益即可趋于稳定，但由于铜电极的边缘距离孔内电子雪崩放大区域太近，铜电极边缘容易发生尖端放电，因而无rim的THGEM放大单元能达到的增益很低。另外，随着在现代高能物理实验中的亮度环境下应用以及强电离环境下应用越来越多，THGEM探测器在应用中的打火频率也越来越高，因此亟需解决THGEM探测器的打火放电和增益不稳定问题。

如果使用具有一定电阻率的阻性材料取代基材上下表面的铜电极充当提供高压的电极，则能够很好的淬灭THGEM内部发生的打火放电，从而有效的抑制THGEM内的打火放电问题。此外，孔内壁的沉积高电阻率的涂层使能够保证THGEM的耐压足够高的同时对吸附到孔壁上的电荷具有较好的疏散能力，从而保证探测器的增益稳定性。

现有的一种用于具有阻性电极的THGEM放大单元的制作方法是使用一种面电阻率为500kΩ/□到800kΩ/□之间的聚酰亚胺薄膜作为阻性电极，具体制作步骤如下：

1)根据待制作的阻性THGEM放大单元的参数，选择一张厚度一定的PCB基材，对表面进行清洁，后用环氧树脂胶在PCB基材的上下表面各粘上一层阻性聚酰亚胺膜，作为THGEM放大单元的阻性电极，如图1A所示。

2)在阻性聚酰亚胺膜上用环氧树脂胶粘上一层厚度大约为35μm的铜膜，用于机械钻孔时避免有聚酰亚胺膜的碎屑残留在孔中无法去除，如图1B所示。

3)根据待制作的THGEM放大单元参数，使用CNC钻孔技术在基材上钻孔，如图1C所示。