微弧氧化項目真空鍍氮化鈦膜氧化鋁膜微弧氧化Indico高能物理課件

密閉式GEM中子探測器的研究李科1,2)，周健榮2)，周良2)，孫志嘉2)，胡碧濤1)，陳元柏2）1)蘭州大學2)中國散裂中子源(CSNS)2)高能物理研究所第五屆全國微結構氣體探測器會議，蘭州，2015密閉式GEM中子探測器的研究李科1,2)，周健榮2)，周良2目錄研究背景中子探測的特殊性密閉式探測器的整體設計關鍵部件的研究關鍵技術的研究總結2目錄研究背景2LS2GE1/1CMSGEMProjectGEMupgradeoftheALICETPC研究現(xiàn)狀：1.帶電粒子或光子探測：大面積、大型譜儀徑跡探測器2.中子探測：小面積(0.2m*0.2m)、高通量、高精度探測器3.工作模式：流氣式，大面積探測器內(nèi)部放氣物質(zhì)種類多，難以除氣，難以實現(xiàn)密閉探測器HeidelbergUniversityKEK

GEM探測器國際發(fā)展與現(xiàn)狀31.研究背景LS2GE1/1CMSGEMProjectGEMupg流氣式GEM中子探測器技術趨于成熟，探測器關鍵技術基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，工作時需要額外配置供氣系統(tǒng)。密閉探測器研究動機：

中子散射實驗要求探測器長期穩(wěn)定工作，密閉探測器與外界隔絕，穩(wěn)定性高在譜儀大廳，出于安全、空間限制、氣體排放限制等，不便使用流氣式探測器在移動場景、臨時測試場地，不便攜帶氣體鋼瓶50mm50mm密閉探測器研究目標：

兩種探測器：計數(shù)型和位置靈敏型以大科學工程應用為驅動，滿足國內(nèi)在建的中子散射實驗裝置的需求

實現(xiàn)小型化、系統(tǒng)集成，關鍵技術全部國產(chǎn)化4性能參數(shù)

設計指標有效面積50mm*50mm熱中子注量率<109n/cm2.s位置分辨率<3mm(FWHM)TOF時間分辨率<1μs探測效率@1.8?～4%總計數(shù)率>1MHz工作模式實時監(jiān)測1.研究背景:CSNS涂硼GEM中子探測器研究現(xiàn)狀流氣式GEM中子探測器技術趨于成熟，探測器關鍵技術基本實現(xiàn)國2.中子探測的特殊性GEMAr/CO2

ｎ涂硼漂移電極漂移區(qū)感應區(qū)5中子的特殊性：電中性，穿透力強，輕元素敏感非單能(能譜)，探測效率隨能量變化伴隨較強γ射線及高能快中子能活化大部分物質(zhì)，產(chǎn)生次級粒子Neutronbeammonitor2.中子探測的特殊性GEMAr/CO2ｎ涂硼漂移電極漂移區(qū)3.密閉式探測器的整體設計IHEP-nTHGEMAr/CO2(90/10)2mm4mmｎaor

7Li3kV/cm1kV/cmIHEP-BUAA涂硼漂移電極單路計數(shù)或者二維讀出漂移區(qū)感應區(qū)探測器結構：系統(tǒng)布局：高壓前端電子學探測器6基于密閉式探測器整體設計考慮，要求各部件對中子束流散射小、耐高溫烘烤、釋氣少，各部件材料選擇如下：腔體材料選用鋁合金選用多針feedthrough接頭，采取焊接方式研發(fā)中子專用陶瓷基材nTHGEM膜PCB讀出板換用柔性Kapton材料關鍵技術：密封和Outgassing探測器部件材料選擇3.密閉式探測器的整體設計IHEP-nTHGEMAr/CO2陶瓷nTHGEM研制(謝宇廣)CopperCeramicsDrilling

Au7有效面積：50mm×50mm，100mm×100mm，200mm×200mm單位GEM膜絕緣介質(zhì)孔直徑d(μm)孔心間距p(μm)銅厚(μm)膜總厚(μm)敷銅率?IHEPnTHGEM陶瓷2006002020090%4.關鍵部件的研究陶瓷nTHGEM研制(謝宇廣)CopperCeramicsD55Fe_X射線(5.9keV)測試銅靶X光機(8keV)測試出氣探測器進氣X光管nTHGEMAr/CO2(90/10)

Di=2mmDd=4mmxEiEdCathodePreamplifier+MCA

HV-inGNDR1R2

R310MΩ10MΩ10MΩActivearea50mm*50mm84.關鍵部件的研究陶瓷nTHGEM的測試55Fe_X射線(5.9keV)測試銅靶X光機(8keV)測計數(shù)率穩(wěn)定性漲落16%252Cf中子源測試計數(shù)率坪曲線，合適選取工作電壓E字成像9計數(shù)率穩(wěn)定性測試4.關鍵部件的研究計數(shù)率穩(wěn)定性漲落16%252Cf中子源測試計數(shù)率坪曲線，合適有效面積50*50mm64路:32ch(x)+32ch(y)條周期:1.56mm條連接方式：三角塊連接換用柔性Kapton材料：PCB厚度由1mm降低至0.56mm，減少了束流穿過的物質(zhì)量，降低了中子散射耐200

℃以上的高溫，可烘烤，放氣少，耐老化、耐輻照信號讀出柔性電路板Geant4104.關鍵部件的研究有效面積50*50mm換用柔性Kapton材料：信號讀出柔性FPGA讀出條前放+成形

符合電路甄別器擊中事例

(x,y,t)DAC

64路(x、y方向)USB讀出電腦&數(shù)據(jù)獲取ASIC探測器A111前端電子學TTL輸出114.關鍵部件的研究2）二維位置靈敏讀出電子學：32路(x)+32路(y)，ASIC+FPGA+usb讀出1）計數(shù)型電子學：AMPTEKA111，單路前放耦合甄別器芯片，直接輸出TTL信號電子學小型化、集成化FPGA讀出條符合電路甄別器擊中事例封裝后高壓電源尺寸：

110*74.6*40mm優(yōu)勢：高壓電源前移至近探測器端，與探測器集成，可以減少高壓電源長距離傳輸?shù)挠绊懀岣咛綔y器信號質(zhì)量探測器輸入輸出為低壓，沒有高壓，可用于真空環(huán)境，防止高壓打火專用化，小型化及集成化輸入電壓輸出電壓控制電壓高壓紋波參數(shù)12V0-3000V0-5V<20mV124.關鍵部件的研究高壓電源性能參數(shù)：高壓電源前端集成低壓控制3路高壓輸出電壓監(jiān)測電流監(jiān)測12V輸入ISEG高壓模塊12V低壓輸入，經(jīng)高壓模塊升壓轉換，由電阻鏈分配輸出3路負高壓封裝后高壓電源尺寸：110*74.6*40mm優(yōu)勢：輸入復合材料刀口法蘭焊接處實驗用密閉腔體的機械設計、密封的螺栓分布與預緊力的計算鋁與不銹鋼焊接：釬焊料過渡、鋁和不銹鋼復合板過渡、鎳層過渡顯示鋁與不銹鋼焊接漏率：1×10-11

mbar.l/s微弧氧化的鋁腔體未氧化的鋁腔體采取復合板過渡焊接工藝，將鋁和不銹鋼焊接，保證泄漏率較小，方便后續(xù)試驗測量，為以后feedthrough接頭焊接提供經(jīng)驗135.關鍵技術的研究腔體設計與焊接復合材料刀口法蘭焊接處實驗用密閉腔體的機械設計、密封的螺栓分腔體密封圈選擇5.關鍵技術的研究選用彈簧金屬密封圈，漏率為1×10-11

mbar.l/s，且具有一定的回彈性（0.8mm），減少烘烤后冷卻帶來的密封問題密封類型加工尺寸限制潛在的密封能力（mbar.l/s)工作溫度范圍（℃）需要的密封載荷(N/mm)

優(yōu)點缺點銅墊片300mm(maxidia.)1*10^-10+400-269350價格低；耐輻照；高壽命有限尺寸；法蘭與密封圈需要很好的表面，一般用于刀口密封；重復密封次數(shù)少鋁制帶刀口密封圈1000mm(maxidia.)1*10^-9+80120低密封載荷；批量生產(chǎn)價格比較便宜烘烤溫度不高；不能夠用于低溫環(huán)境；不能夠重復使用；加工不容易橡膠密封圈沒有1*10^-7+200-4020價格低；低密封載荷；可以重復使用；適用任何形狀有限的性能；有限的烘烤溫度；對輻照敏感；有限的壽命螺旋彈簧密封圈2000mm(maxidia.)1*10^-10+300（Aluminum)120低密封載荷；烘烤溫度高；耐輻照；可以做成非環(huán)狀；價格高；不能夠重復使用+450(Copperlining)150-26914腔體密封圈選擇5.關鍵技術的研究選用彈簧金屬密封圈，漏率為15.關鍵技術的研究鋁腔體表面處理——微弧氧化項目真空鍍氮化鈦膜氧化鋁膜微弧氧化陽極氧化硬質(zhì)陽極氧化磁控濺射最大厚度（微米）<1300<4050-80<1吸附氫氣、水等能力強強弱較強弱抗熱沖擊高溫下容易脫落可承受2500℃以下的熱沖擊差差差均勻性內(nèi)外不均勻內(nèi)外均勻，基本是晶體相產(chǎn)生“尖邊”缺陷產(chǎn)生“尖邊”缺陷內(nèi)外不均勻通過電解液與相應電參數(shù)的組合，在鋁合金表面依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬時高溫高壓作用，生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層在密閉腔體表面生長出50微米氧化鋁陶瓷晶體薄膜，減少腔體內(nèi)部的氣體釋放155.關鍵技術的研究鋁腔體表面處理——微弧氧化項目真空鍍氮化鈦5.關鍵技術的研究微弧氧化前后的實驗對比實驗腔體整體測試：

采用帶彈簧金屬密封圈進行密封、鋁不銹鋼復合板過渡焊接、腔體表面微弧氧化、150℃高溫72小時烘烤，并抽到10-7

Pa，雜質(zhì)氣體生成率為10-14

mbar.l/（s.cm2)，即一年內(nèi)產(chǎn)生的雜質(zhì)氣體比例為0.1‰H2：3.83×10-12

H2O：5.85×10-13

CO：3.90×10-13

CO2：3.90×10-13

H2：2.46×10-12

H2O：4.17×10-14

CO：3.82×10-14

CO2：2.12×10-14

未氧化微弧氧化后出氣率測試對比：未氧化：3.45×10-14mbar.l/(s.cm2)微弧氧化：3.11×10-14mbar.l/(s.cm2)殘余氣體組分對比：

無論腔體氧化與否，殘余氣體主要成分是氫氣、水、一氧化碳、二氧化碳等。微弧氧化后氫氣含量是沒有氧化的64%，水、一氧化碳、二氧化碳降了一個數(shù)量級165.關鍵技術的研究微弧氧化前后的實驗對比實驗腔體整體測試：H烘烤箱超聲波清洗潔凈室組裝烘烤狀態(tài)下充氣抽真空多次循環(huán)175.關鍵技術的研究探測器組裝和充氣處理技術指標：充氣壓力:0-10bar充氣氣體:Ar,CO2（比例可調(diào)）真空度:10-4Pa烘烤溫度:<300℃烘烤箱超聲波清洗潔凈室組裝烘烤狀態(tài)下充氣抽真空多次循環(huán)175總結完成了關鍵部件的測試完成了密閉式腔體的研究設計探測器加工和組裝（正在進行）研究充氣處理工藝和探測器長期穩(wěn)定性問題18總結完成了關鍵部件的測試18密閉式GEM中子探測器的研究李科1,2)，周健榮2)，周良2)，孫志嘉2)，胡碧濤1)，陳元柏2）1)蘭州大學2)中國散裂中子源(CSNS)2)高能物理研究所第五屆全國微結構氣體探測器會議，蘭州，2015密閉式GEM中子探測器的研究李科1,2)，周健榮2)，周良2目錄研究背景中子探測的特殊性密閉式探測器的整體設計關鍵部件的研究關鍵技術的研究總結2目錄研究背景2LS2GE1/1CMSGEMProjectGEMupgradeoftheALICETPC研究現(xiàn)狀：1.帶電粒子或光子探測：大面積、大型譜儀徑跡探測器2.中子探測：小面積(0.2m*0.2m)、高通量、高精度探測器3.工作模式：流氣式，大面積探測器內(nèi)部放氣物質(zhì)種類多，難以除氣，難以實現(xiàn)密閉探測器HeidelbergUniversityKEK

GEM探測器國際發(fā)展與現(xiàn)狀31.研究背景LS2GE1/1CMSGEMProjectGEMupg流氣式GEM中子探測器技術趨于成熟，探測器關鍵技術基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，工作時需要額外配置供氣系統(tǒng)。密閉探測器研究動機：

中子散射實驗要求探測器長期穩(wěn)定工作，密閉探測器與外界隔絕，穩(wěn)定性高在譜儀大廳，出于安全、空間限制、氣體排放限制等，不便使用流氣式探測器在移動場景、臨時測試場地，不便攜帶氣體鋼瓶50mm50mm密閉探測器研究目標：

兩種探測器：計數(shù)型和位置靈敏型以大科學工程應用為驅動，滿足國內(nèi)在建的中子散射實驗裝置的需求

實現(xiàn)小型化、系統(tǒng)集成，關鍵技術全部國產(chǎn)化4性能參數(shù)

設計指標有效面積50mm*50mm熱中子注量率<109n/cm2.s位置分辨率<3mm(FWHM)TOF時間分辨率<1μs探測效率@1.8?～4%總計數(shù)率>1MHz工作模式實時監(jiān)測1.研究背景:CSNS涂硼GEM中子探測器研究現(xiàn)狀流氣式GEM中子探測器技術趨于成熟，探測器關鍵技術基本實現(xiàn)國2.中子探測的特殊性GEMAr/CO2

ｎ涂硼漂移電極漂移區(qū)感應區(qū)5中子的特殊性：電中性，穿透力強，輕元素敏感非單能(能譜)，探測效率隨能量變化伴隨較強γ射線及高能快中子能活化大部分物質(zhì)，產(chǎn)生次級粒子Neutronbeammonitor2.中子探測的特殊性GEMAr/CO2ｎ涂硼漂移電極漂移區(qū)3.密閉式探測器的整體設計IHEP-nTHGEMAr/CO2(90/10)2mm4mmｎaor

7Li3kV/cm1kV/cmIHEP-BUAA涂硼漂移電極單路計數(shù)或者二維讀出漂移區(qū)感應區(qū)探測器結構：系統(tǒng)布局：高壓前端電子學探測器6基于密閉式探測器整體設計考慮，要求各部件對中子束流散射小、耐高溫烘烤、釋氣少，各部件材料選擇如下：腔體材料選用鋁合金選用多針feedthrough接頭，采取焊接方式研發(fā)中子專用陶瓷基材nTHGEM膜PCB讀出板換用柔性Kapton材料關鍵技術：密封和Outgassing探測器部件材料選擇3.密閉式探測器的整體設計IHEP-nTHGEMAr/CO2陶瓷nTHGEM研制(謝宇廣)CopperCeramicsDrilling

Au7有效面積：50mm×50mm，100mm×100mm，200mm×200mm單位GEM膜絕緣介質(zhì)孔直徑d(μm)孔心間距p(μm)銅厚(μm)膜總厚(μm)敷銅率?IHEPnTHGEM陶瓷2006002020090%4.關鍵部件的研究陶瓷nTHGEM研制(謝宇廣)CopperCeramicsD55Fe_X射線(5.9keV)測試銅靶X光機(8keV)測試出氣探測器進氣X光管nTHGEMAr/CO2(90/10)

Di=2mmDd=4mmxEiEdCathodePreamplifier+MCA

HV-inGNDR1R2

R310MΩ10MΩ10MΩActivearea50mm*50mm84.關鍵部件的研究陶瓷nTHGEM的測試55Fe_X射線(5.9keV)測試銅靶X光機(8keV)測計數(shù)率穩(wěn)定性漲落16%252Cf中子源測試計數(shù)率坪曲線，合適選取工作電壓E字成像9計數(shù)率穩(wěn)定性測試4.關鍵部件的研究計數(shù)率穩(wěn)定性漲落16%252Cf中子源測試計數(shù)率坪曲線，合適有效面積50*50mm64路:32ch(x)+32ch(y)條周期:1.56mm條連接方式：三角塊連接換用柔性Kapton材料：PCB厚度由1mm降低至0.56mm，減少了束流穿過的物質(zhì)量，降低了中子散射耐200

℃以上的高溫，可烘烤，放氣少，耐老化、耐輻照信號讀出柔性電路板Geant4104.關鍵部件的研究有效面積50*50mm換用柔性Kapton材料：信號讀出柔性FPGA讀出條前放+成形

符合電路甄別器擊中事例

(x,y,t)DAC

64路(x、y方向)USB讀出電腦&數(shù)據(jù)獲取ASIC探測器A111前端電子學TTL輸出114.關鍵部件的研究2）二維位置靈敏讀出電子學：32路(x)+32路(y)，ASIC+FPGA+usb讀出1）計數(shù)型電子學：AMPTEKA111，單路前放耦合甄別器芯片，直接輸出TTL信號電子學小型化、集成化FPGA讀出條符合電路甄別器擊中事例封裝后高壓電源尺寸：

110*74.6*40mm優(yōu)勢：高壓電源前移至近探測器端，與探測器集成，可以減少高壓電源長距離傳輸?shù)挠绊懀岣咛綔y器信號質(zhì)量探測器輸入輸出為低壓，沒有高壓，可用于真空環(huán)境，防止高壓打火專用化，小型化及集成化輸入電壓輸出電壓控制電壓高壓紋波參數(shù)12V0-3000V0-5V<20mV124.關鍵部件的研究高壓電源性能參數(shù)：高壓電源前端集成低壓控制3路高壓輸出電壓監(jiān)測電流監(jiān)測12V輸入ISEG高壓模塊12V低壓輸入，經(jīng)高壓模塊升壓轉換，由電阻鏈分配輸出3路負高壓封裝后高壓電源尺寸：110*74.6*40mm優(yōu)勢：輸入復合材料刀口法蘭焊接處實驗用密閉腔體的機械設計、密封的螺栓分布與預緊力的計算鋁與不銹鋼焊接：釬焊料過渡、鋁和不銹鋼復合板過渡、鎳層過渡顯示鋁與不銹鋼焊接漏率：1×10-11

mbar.l/s微弧氧化的鋁腔體未氧化的鋁腔體采取復合板過渡焊接工藝，將鋁和不銹鋼焊接，保證泄漏率較小，方便后續(xù)試驗測量，為以后feedthrough接頭焊接提供經(jīng)驗135.關鍵技術的研究腔體設計與焊接復合材料刀口法蘭焊接處實驗用密閉腔體的機械設計、密封的螺栓分腔體密封圈選擇5.關鍵技術的研究選用彈簧金屬密封圈，漏率為1×10-11

mbar.l/s，且具有一定的回彈性（0.8mm），減少烘烤后冷卻帶來的密封問題密封類型加工尺寸限制潛在的密封能力（mbar.l/s)工作溫度范圍（℃）需要的密封載荷(N/mm)

優(yōu)點缺點銅墊片300mm(maxidia.)1*10^-10+400-269350價格低；耐輻照；高壽命有限尺寸；法蘭與密封圈需要很好的表面，一般用于刀口密封；重復密封次數(shù)少鋁制帶刀口密封圈1000mm(maxidia.)1*10^-9+80120低密封載荷；批量生產(chǎn)價格比較便宜烘烤溫度不高；不能夠用于低溫環(huán)境；不能夠重復使用；加工不容易橡膠密封圈沒有1*10^-7+200-4020價格低；低密封載荷；可以重復使用；適用任何形狀有限的性能；有限的烘烤溫度；對輻照敏感；有限的壽命螺旋彈簧密封圈2000mm(maxidia.)1*10^-10+300（Aluminum)120低密封載荷；烘烤溫度高；耐輻照；可以做成非環(huán)狀；價格高；不能夠重復使用+450(Copperlining)150-26914腔體密封圈選擇5.關鍵技術的研究選用彈簧金屬密封圈，漏率為15.關鍵技術的研究鋁腔體表面處理——微弧氧化項目真空鍍氮化鈦膜氧化鋁膜微弧氧化陽極氧化硬質(zhì)陽極氧化磁控濺射最大厚度（微米）<1300<4050-80<1吸附氫氣、水等能力強強弱較強弱抗熱沖擊高溫下容易脫落可承受2500℃以下的熱沖擊差差差均勻性內(nèi)外不均勻內(nèi)外均