應(yīng)用于PandaX-Ⅲ實(shí)驗(yàn)探測(cè)器測(cè)試平臺(tái)的Bulk Micromegas性能研究

陳 雷，李沛玉，周 靜，趙明銳，智 宇，劉雯迪，賈世海，張昀昱，胡守?fù)P，于偉翔，李笑梅

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413)

PandaX-Ⅲ實(shí)驗(yàn)[1]用136Xe制作高壓氣氙時(shí)間投影室尋找無(wú)中微子雙貝塔衰變[2]事件，如果能觀察到這個(gè)現(xiàn)象即可說(shuō)明中微子是自己的反粒子，同時(shí)表明輕子數(shù)不守恒，這意味著自然界的一項(xiàng)重要守恒定律——輕子數(shù)守恒律被破壞?，F(xiàn)有的研究顯示：無(wú)中微子雙貝塔衰變事件的半衰期至少為1026年[3]，要觀察到這樣極稀有的事件需要極低的本底環(huán)境。目前世界上最深的錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室具有約2 400 m高的山體來(lái)屏蔽宇宙線，可極大降低環(huán)境的本底輻射，因此PandaX-Ⅲ實(shí)驗(yàn)選擇在該實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

要區(qū)分136Xe產(chǎn)生的2 458 keV無(wú)中微子雙貝塔衰變事件與來(lái)自環(huán)境的238U衰變鏈中的214Bi產(chǎn)生的2 448 keV γ射線干擾，不僅要求實(shí)驗(yàn)環(huán)境擁有極低的本底，還要求探測(cè)器具有相當(dāng)好的能量分辨率。先期實(shí)驗(yàn)要求探測(cè)器在能量2 458 keV附近擁有好于3%的能量分辨率。使用高壓氣氙時(shí)間投影室還可通過(guò)重建事件的徑跡，利用徑跡的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)一步壓低本底，這還要求探測(cè)器有良好的位置分辨能力。

由多絲正比室發(fā)展而來(lái)的微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器(MPGD)以氣體電子倍增器(GEM)和微網(wǎng)探測(cè)器(Micromegas)為兩個(gè)主要發(fā)展方向。Micromegas探測(cè)器根據(jù)制作工藝的不同又可進(jìn)一步分為使用魚(yú)線或石英作為放大區(qū)間隔的傳統(tǒng)型Micromegas[4]探測(cè)器、使用光蝕刻一體化技術(shù)制作的Bulk Micromegas探測(cè)器[5]及將放大區(qū)用印刷電路板制作的MicroBulk Micromegas探測(cè)器[6-7]。

MicroBulk Micromegas探測(cè)器是歐洲核子中心(CERN)生產(chǎn)的一款具有良好能量分辨率與位置分辨率的MPGD。有研究表明，使用MicroBulk Micromegas探測(cè)器測(cè)量55Fe產(chǎn)生的5.9 keV X射線，能量分辨率好于2%[8]，在眾多Micromegas類型中表現(xiàn)優(yōu)異。探測(cè)器整體采用銅和聚酰亞胺構(gòu)成，可做到極低的本底。此外由于探測(cè)器制作成本相對(duì)較低，且可拼接成大面積的讀出平面，滿足PandaX-Ⅲ實(shí)驗(yàn)的需求。

PandaX-Ⅲ實(shí)驗(yàn)計(jì)劃采用大量MicroBulk Micromegas探測(cè)器作為時(shí)間投影室的讀出平面。這些探測(cè)器在安裝使用前需了解每塊探測(cè)器的工作狀態(tài)與性能參數(shù)，如探測(cè)器增益、壞道分布與打火通道狀態(tài)標(biāo)定等。這就需要有一個(gè)能對(duì)多個(gè)MicroBulk Micromegas探測(cè)器同時(shí)進(jìn)行性能檢測(cè)的探測(cè)器測(cè)試平臺(tái)。為此中國(guó)原子能科學(xué)研究院負(fù)責(zé)建立了基于Micromegas探測(cè)器、AGET電子學(xué)、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)和流氣系統(tǒng)的PandaX-Ⅲ實(shí)驗(yàn)探測(cè)器測(cè)試平臺(tái)。

由于MicroBulk Micromegas目前只能由歐洲核子中心生產(chǎn)，周期較長(zhǎng)，探測(cè)器出現(xiàn)問(wèn)題無(wú)法及時(shí)更換，因此改用中國(guó)原子能科學(xué)研究院中高能物理團(tuán)隊(duì)研制的Bulk Micromegas探測(cè)器對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行研究。Bulk Micromegas探測(cè)器目前可由中國(guó)原子能科學(xué)研究院自主生產(chǎn)，有多塊同型號(hào)的探測(cè)器可供使用，且在測(cè)試過(guò)程中具有良好的穩(wěn)定性。Bulk Micromegas探測(cè)器與MicroBulk Micromegas探測(cè)器兩者具有相似的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，對(duì)Bulk Micromegas探測(cè)器進(jìn)行性能測(cè)試的平臺(tái)今后可很方便地應(yīng)用于MicroBulk Micromegas探測(cè)器的性能測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 探測(cè)器結(jié)構(gòu)

Bulk Micromegas探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1a所示。探測(cè)器采用條讀出，最下層為含有相互正交的讀出電極的陽(yáng)極讀出電路板。讀出電路板上方為高128 μm的支撐柱。支撐柱由感光膜經(jīng)過(guò)光蝕刻制作而成，用于支撐作為雪崩放大電極的400目不銹鋼絲網(wǎng)。測(cè)試用Bulk Micromegas探測(cè)器的讀出電路板如圖1b所示，該讀出電極有效面積為5 cm×5 cm。Bulk Micromegas探測(cè)器橫向和縱向各32條通道，共64通道，其工作原理為帶電粒子在漂移區(qū)電離產(chǎn)生電子離子對(duì)，在漂移電場(chǎng)的作用下，電子漂向并經(jīng)過(guò)不銹鋼絲網(wǎng)做成的雪崩電極，進(jìn)入雪崩區(qū)后進(jìn)行放大，電荷在雪崩區(qū)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)并由相互正交的陽(yáng)極條讀出。

a——探測(cè)器結(jié)構(gòu)；b——探測(cè)器實(shí)物圖1 Bulk Micromegas探測(cè)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Bulk Micromegas detector

1.2 測(cè)試平臺(tái)搭建

PandaX-Ⅲ實(shí)驗(yàn)探測(cè)器測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該測(cè)試平臺(tái)由Micromegas探測(cè)器、AGET電子學(xué)、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)和流氣系統(tǒng)組成。

圖2 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of test platform

探測(cè)器漂移區(qū)的距離設(shè)置為1 cm，并使用Ar+10%CO2平衡氣作為探測(cè)器中的氣體電離介質(zhì)。探測(cè)器工作時(shí)Ar+10%CO2以500 mL/min的流速通入氣室并排出。探測(cè)器的漂移電極與雪崩電極的高壓由CAEN N1471HET高壓插件提供。測(cè)試所采用的讀出電子學(xué)是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的基于AGET讀出芯片制作的通用讀出電子學(xué)[9-10]，包括前端讀出板(FEC)與數(shù)字獲取模塊(DCM)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件和說(shuō)明文檔。數(shù)據(jù)采集軟件由Qt4.8.7編寫(xiě)制作，可跨平臺(tái)運(yùn)行，版本為V1.1。數(shù)據(jù)分析軟件是基于C++與CERN開(kāi)發(fā)的ROOT軟件庫(kù)編寫(xiě)的后端處理分析程序。

2 探測(cè)器測(cè)試及分析

由于微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器通常存在打火問(wèn)題，在進(jìn)行初步測(cè)試時(shí)將絲網(wǎng)電壓設(shè)置在低于打火出現(xiàn)的電壓附近。實(shí)驗(yàn)采用55Fe放射源相對(duì)于Bulk Micromegas探測(cè)器的位置進(jìn)行測(cè)試，并用X射線管產(chǎn)生的X光對(duì)鑰匙照射，使用Bulk Micromegas探測(cè)器進(jìn)行成像以驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析軟件在成像方面的準(zhǔn)確性。然后選擇1個(gè)探測(cè)器能正常工作的雪崩電極電壓，通過(guò)改變探測(cè)器漂移電極電壓，獲得探測(cè)器增益及能量分辨率隨雪崩電場(chǎng)與漂移電場(chǎng)比(Em/Ed)的變化曲線，進(jìn)而找到與探測(cè)器最佳能量分辨率相應(yīng)的Em/Ed。最后在保持Em/Ed不變的情況下，改變探測(cè)器的雪崩電極電壓以及相應(yīng)的漂移電極電壓，從而獲得探測(cè)器的氣體電子放大倍數(shù)即增益隨雪崩電極電壓的變化曲線。

2.1 噪聲測(cè)試

接地與電磁屏蔽是噪聲控制中很重要的一環(huán)[11]。實(shí)驗(yàn)使用隔離電源濾波器將整個(gè)系統(tǒng)使用的電源與實(shí)驗(yàn)室電源分開(kāi)。使用銅帶包裹所有信號(hào)線與電源線以避免電源線纜輻射干擾其他電子學(xué)系統(tǒng)，并防止線纜信號(hào)被外界干擾。在高壓插件與探測(cè)器連接處使用ORTEC 142A作為濾波器，并用鋁箔將濾波器包裹。實(shí)驗(yàn)中還將高壓插件的陽(yáng)極與機(jī)箱的地線連接斷開(kāi)以使高壓插件地線懸空。整個(gè)探測(cè)器與前端電子學(xué)放置于金屬屏蔽箱中。

測(cè)試時(shí)雪崩電極電壓設(shè)置為-400 V，漂移極電壓設(shè)置為-1 000 V，對(duì)應(yīng)有效漂移電場(chǎng)為-600 V/cm。測(cè)試獲得的探測(cè)器輸出的兩個(gè)觸發(fā)通道信號(hào)與所有通道噪聲統(tǒng)計(jì)分布示于圖3。圖3a中，數(shù)據(jù)采集軟件中設(shè)定的采樣頻率為5 MHz，兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為0.2 μs。電子學(xué)使用的電荷量程為120 fC，并用12位二進(jìn)制的數(shù)表示120 fC整個(gè)量程，其電荷的模數(shù)轉(zhuǎn)換值(ADC)為4 096。上下兩個(gè)觸發(fā)通道信號(hào)的基線ADC相差120左右，每條信號(hào)曲線的基線峰谷ADC差值在50左右。信號(hào)幅值與基線ADC差值大于75，該差值可由數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)定，用以判斷探測(cè)器輸出信號(hào)是否超過(guò)設(shè)定閾值。不加漂移電壓與雪崩電壓時(shí)統(tǒng)計(jì)得到探測(cè)器輸出信號(hào)的均方根偏差(RMS)分布示于圖3b。圖3b中，縱軸為1個(gè)通道在1次事件中計(jì)算得到的相應(yīng)RMS值的計(jì)數(shù)。由圖3b可見(jiàn)，ADC的RMS平均值在9左右，此時(shí)等效噪聲電荷為0.263 fC，滿足實(shí)驗(yàn)需求。ADC的RMS值為4左右的統(tǒng)計(jì)量是電子學(xué)與探測(cè)器連接性問(wèn)題引發(fā)的。這些通道的RMS值反映了沒(méi)有連接探測(cè)器時(shí)電子學(xué)本身的噪聲水平。由于電子學(xué)接口與探測(cè)器接口之間多次插拔操作使得這些通道不能正常傳遞探測(cè)器的輸出信號(hào)。

2.2 數(shù)據(jù)獲取與分析

信號(hào)從探測(cè)器中產(chǎn)生后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)接板傳至FEC，經(jīng)過(guò)FEC整形濾波后通過(guò)光纖傳到DCM，最后由DCM將數(shù)據(jù)打包整理后由千兆網(wǎng)線傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行離線分析。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集軟件相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式說(shuō)明書(shū)編寫(xiě)相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析軟件，使其能更方便地應(yīng)用于探測(cè)器的測(cè)試。該程序可對(duì)來(lái)自探測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行一些基礎(chǔ)分析，包括波形顯示、計(jì)算并統(tǒng)計(jì)每一通道的RMS值與基線、事件能量以及事件的電荷中心等相關(guān)參數(shù)。

為更完整地獲取探測(cè)器產(chǎn)生的事件信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中將數(shù)據(jù)采集軟件的數(shù)據(jù)采集模式設(shè)定為全讀出，即1次觸發(fā)即將所有通道信號(hào)讀出。但全讀出數(shù)據(jù)量非常龐大，1次具有約10萬(wàn)事例的數(shù)據(jù)采集過(guò)程至少獲得20 GB的數(shù)據(jù)量。因此未來(lái)將考慮使用磁盤(pán)陣列存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并采用多線程并行處理方式，以提高分析軟件的處理速度。

2.3 成像測(cè)試

利用Bulk Micromegas探測(cè)器對(duì)55Fe放射源在探測(cè)器中的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果示于圖4a。從圖4a可見(jiàn)，放射源所呈圖像并非圓形，而是類似于橢圓的結(jié)構(gòu)。在保持其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下將放射源相對(duì)于探測(cè)器旋轉(zhuǎn)一定角度后發(fā)現(xiàn)，圖中的長(zhǎng)軸朝向發(fā)生了改變，這說(shuō)明產(chǎn)生這種橢圓形狀的圖像并非是探測(cè)器或電子學(xué)本身的問(wèn)題，而是放射源本身的形狀。在Ar+30%CO2平衡氣體條件下，將鑰匙置于Bulk Micromegas探測(cè)器上方，并使用X射線管產(chǎn)生的X光進(jìn)行照射，探測(cè)器獲得的圖像示于圖4b。其中X射線管電壓設(shè)置為50 kV，鑰匙置于漂移電極表面靠近X射線管一側(cè)。從圖4可看到相對(duì)較清晰的放射源與鑰匙的輪廓，與實(shí)際物體幾何尺寸及相對(duì)于探測(cè)器的位置吻合，說(shuō)明分析軟件在成像方面分析準(zhǔn)確，可為實(shí)驗(yàn)獲得的事例提供位置上的篩選條件。

圖3 探測(cè)器輸出信號(hào)與噪聲分布Fig.3 Detector signal and noise distribution

圖4 55Fe放射源(a)與X光照射下的鑰匙(b)在Bulk Micromegas探測(cè)器上的成像Fig.4 Image of 55Fe radio source (a) and key under X-ray (b) on Bulk Micromegas detector

2.4 能譜與增益曲線

將55Fe放射源置于漂移電極表面遠(yuǎn)離雪崩電極一側(cè)并朝向雪崩電極。漂移電極由帶有通孔的雙面覆銅板構(gòu)成。Ar+10%CO2平均電離能為27.2 eV[12]。由q=eE/W可知，根據(jù)射線能量E與平均電離能W可得到平均電離電荷q，e為單位元電荷。又由Qt=120×10-15P/4 096(P為峰位所在的橫軸ADC值)可得到收集到的總電荷數(shù)Qt。增益A為兩者之比，即A=Qt/q。

圖5 Bulk Micromegas探測(cè)器測(cè)量得到的 55Fe能譜Fig.5 55Fe energy spectrum measured by Bulk MciroMegas detector

實(shí)驗(yàn)中漂移電極電壓與雪崩電極電壓分別設(shè)置為-549 V和 -490 V，并以1個(gè)事件的電荷重心作為篩選條件選擇距離放射源在探測(cè)器上的投影點(diǎn)3 mm以內(nèi)的事件，得到的能譜示于圖5。圖5中ADC為2 200附近有1個(gè)由55Fe放射源產(chǎn)生的5.9 keV X射線的主峰，ADC為1 100附近有1個(gè)逃逸峰。使用單高斯曲線對(duì)ADC為2 200附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到高斯峰的峰位，并由增益計(jì)算公式得到此時(shí)增益約為1 700，能量分辨率約為20%。

為探究探測(cè)器的工作狀態(tài)，研究了探測(cè)器的透過(guò)率與Em/Ed的關(guān)系。當(dāng)探測(cè)器的雪崩電場(chǎng)與雪崩距離確定時(shí)，Bulk Micromegas探測(cè)器雪崩區(qū)電子放大倍數(shù)幾乎不變，整個(gè)探測(cè)器的增益可認(rèn)為是由電子透過(guò)率決定的。由此增益的變化可間接反映探測(cè)器的電子透過(guò)率的變化。實(shí)驗(yàn)中將雪崩電極電壓設(shè)置為-490 V，測(cè)量探測(cè)器增益與能量分辨率隨Em/Ed變化，如圖6所示。

由圖6a可見(jiàn)，隨著Em/Ed的增大，探測(cè)器增益先劇烈上升，然后趨于平緩，表明Em/Ed越大探測(cè)器的透過(guò)率越好。

由圖6b可知，Em/Ed越大，探測(cè)器能量分辨率越佳。Em/Ed約為600時(shí)能量分辨率約為21%。圖6b中，在一些Em/Ed附近出現(xiàn)了能量分辨率的極大值，可能是由于測(cè)試過(guò)程中需要對(duì)氣體流量進(jìn)行調(diào)整導(dǎo)致的。測(cè)試時(shí)計(jì)數(shù)率不高，約150 Hz，需要至少10 min的數(shù)據(jù)才能積累一定統(tǒng)計(jì)量。而這樣長(zhǎng)時(shí)間大氣流的供氣很難保持氣體流量的穩(wěn)定性，而氣體流量對(duì)探測(cè)器能量分辨率有一定影響。

結(jié)合圖6a、b可知，當(dāng)漂移電場(chǎng)進(jìn)入氣體電離曲線復(fù)合區(qū)前，雪崩電極電壓保持不變時(shí)，Em/Ed越大，探測(cè)器的透過(guò)率和能量分辨率越好。然而當(dāng)漂移電場(chǎng)進(jìn)入氣體電離曲線中的復(fù)合區(qū)后，將導(dǎo)致漂移區(qū)產(chǎn)生的電離電子對(duì)在漂移過(guò)程中發(fā)生復(fù)合，使得感應(yīng)信號(hào)不能被完全收集從而造成能量分辨率變差。

選擇能量分辨率最佳時(shí)的Em/Ed=650，分別改變雪崩電極電壓與相應(yīng)的漂移電極電壓，測(cè)量探測(cè)器增益與能量分辨率曲線，結(jié)果示于圖7。由圖7a可見(jiàn)，探測(cè)器的增益曲線近似為直線，呈e指數(shù)變化，可獲得的最大增益約為3 000。由于更高的絲網(wǎng)電壓使得探測(cè)器打火放電，導(dǎo)致探測(cè)器的穩(wěn)定性變差，因此實(shí)驗(yàn)中雪崩電極電壓不高于-510 V。

由圖7b可見(jiàn)，在雪崩電極電壓大于-420 V時(shí)，探測(cè)器的能量分辨率均好于30%。更低的雪崩電極電壓會(huì)導(dǎo)致信噪比變差，從而使得能量分辨率變差。雪崩電極電壓為-400 V時(shí)，增益曲線已明顯偏離指數(shù)變化，此時(shí)的能量分辨率也幾乎沒(méi)有參考意義。

圖6 探測(cè)器增益與能量分辨率隨Em/Ed的變化Fig.6 Gain and energy resolution with Em/Ed

圖7 探測(cè)器增益與能量分辨率隨雪崩電極電壓的變化Fig.7 Gain and energy resolution with mesh voltage

為能更快速地獲取探測(cè)器增益與能量分辨率，實(shí)驗(yàn)中將探測(cè)器與ORTEC 142A連接，輸出的能量信號(hào)經(jīng)過(guò)ORTEC 572主放大器與Amptek MCA8000A 多道分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并使用相應(yīng)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

測(cè)試時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)間設(shè)定為20 s，實(shí)驗(yàn)中的事例率可達(dá)600 Hz以上，可大幅節(jié)省獲得探測(cè)器增益曲線與能量分辨率曲線的時(shí)間。雪崩電極電壓為-490 V、漂移電極電壓為-549 V時(shí)，能量分辨率為19.7%，達(dá)到國(guó)外同類型探測(cè)器水平。

3 總結(jié)

本文利用Bulk Micromegas探測(cè)器對(duì)PandaX-Ⅲ實(shí)驗(yàn)探測(cè)器測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：Bulk Micromegas探測(cè)器在Ar+10%CO2下對(duì)55Fe產(chǎn)生的5.9 keV X射線最大增益約為3 000；分別使用基于AGET芯片的電子學(xué)與MCA8000多道分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集可達(dá)到20.7%與19.7%的能量分辨率?；贏GET芯片制作的通用讀出電子學(xué)連接Bulk Miromegas 探測(cè)器噪聲等效電荷為0.263 fC，具有良好的信噪比，滿足測(cè)試要求。用于測(cè)試平臺(tái)相關(guān)的數(shù)據(jù)分析軟件可給出探測(cè)器各通道的波形圖、增益曲線以及二維事件分布圖等相關(guān)信息。Bulk Micromegas探測(cè)器與Micro-Bulk Micromegas探測(cè)器兩者具有相似的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，利用PandaX-Ⅲ實(shí)驗(yàn)探測(cè)器測(cè)試平臺(tái)對(duì)Bulk Micromegas探測(cè)器進(jìn)行性能測(cè)試的結(jié)果，對(duì)今后MicroBulk Micromegas探測(cè)器性能測(cè)試具有重要意義。