微弧氧化项目真空镀氮化钛膜氧化铝膜微弧氧化-Indico-高能物理课件.ppt
密闭式GEM中子探测器的研究,李科1,2)，周健荣2)，周良2)，孙志嘉2)，胡碧涛1)，陈元柏2）1)兰州大学2)中国散裂中子源(CSNS)2)高能物理研究所第五届全国微结构气体探测器会议，兰州，2015,目录,研究背景中子探测的特殊性密闭式探测器的整体设计关键部件的研究关键技术的研究总结,2,CMS GEM Project,GEM upgrade of the ALICE TPC,研究现状：1.带电粒子或光子探测：大面积、大型谱仪径迹探测器2.中子探测：小面积(0.2m*0.2m)、高通量、高精度探测器3.工作模式：流气式，大面积探测器内部放气物质种类多，难以除气，难以实现密闭探测器,Heidelberg University,KEK,GEM探测器国际发展与现状,3,1.研究背景,流气式GEM中子探测器技术趋于成熟，探测器关键技术基本实现国产化，工作时需要额外配置供气系统。,密闭探测器研究动机：中子散射实验要求探测器长期稳定工作，密闭探测器与外界隔绝，稳定性高 在谱仪大厅，出于安全、空间限制、气体排放限制等，不便使用流气式探测器 在移动场景、临时测试场地，不便携带气体钢瓶,密闭探测器研究目标：两种探测器：计数型和位置灵敏型 以大科学工程应用为驱动，满足国内在建的中子散射实验装置的需求 实现小型化、系统集成，关键技术全部国产化,4,1.研究背景:,CSNS 涂硼GEM中子探测器研究现状,2.中子探测的特殊性,5,中子的特殊性：电中性，穿透力强，轻元素敏感非单能(能谱)，探测效率随能量变化伴随较强射线及高能快中子能活化大部分物质，产生次级粒子,Neutron beam monitor,3.密闭式探测器的整体设计,探测器结构：,系统布局：,6,基于密闭式探测器整体设计考虑，要求各部件对中子束流散射小、耐高温烘烤、释气少，各部件材料选择如下：腔体材料选用铝合金选用多针feedthrough接头，采取焊接方式研发中子专用陶瓷基材nTHGEM膜PCB读出板换用柔性Kapton材料关键技术：密封和Outgassing,探测器部件材料选择,陶瓷nTHGEM研制(谢宇广),7,4.关键部件的研究,55Fe_X射线(5.9keV)测试,铜靶X光机(8keV)测试,出气,探测器,进气,X光管,8,4.关键部件的研究,陶瓷nTHGEM的测试,计数率稳定性涨落16%,252Cf中子源测试,计数率坪曲线，合适选取工作电压,E字成像,9,计数率稳定性测试,4.关键部件的研究,有效面积50*50mm64 路:32 ch(x)+32ch(y)条周期:1.56mm条连接方式：三角块连接,换用柔性Kapton材料：PCB厚度由1mm降低至0.56mm，减少了束流穿过的物质量，降低了中子散射耐200 以上的高温，可烘烤，放气少，耐老化、耐辐照,信号读出柔性电路板,Geant4,10,4.关键部件的研究,11,4.关键部件的研究,2）二维位置灵敏读出电子学：32路(x)+32路(y)，ASIC+FPGA+usb读出,1）计数型电子学：AMPTEK A111，单路前放耦合甄别器芯片，直接输出TTL信号,电子学小型化、集成化,封装后高压电源尺寸：110*74.6*40 mm,优势：高压电源前移至近探测器端，与探测器集成，可以减少高压电源长距离传输的影响，提高探测器信号质量探测器输入输出为低压，没有高压，可用于真空环境，防止高压打火专用化，小型化及集成化,12,4.关键部件的研究,高压电源性能参数：,高压电源前端集成,ISEG高压模块,12V低压输入，经高压模块升压转换，由电阻链分配输出3路负高压,实验用密闭腔体的机械设计、密封的螺栓分布与预紧力的计算铝与不锈钢焊接：钎焊料过渡、铝和不锈钢复合板过渡、镍层过渡显示铝与不锈钢焊接漏率：110-11 mbar.l/s,微弧氧化的铝腔体,未氧化的铝腔体,采取复合板过渡焊接工艺，将铝和不锈钢焊接，保证泄漏率较小，方便后续试验测量，为以后feedthrough接头焊接提供经验,13,5.关键技术的研究,腔体设计与焊接,腔体密封圈选择,5.关键技术的研究,选用弹簧金属密封圈，漏率为110-11 mbar.l/s，且具有一定的回弹性（0.8mm），减少烘烤后冷却带来的密封问题,14,5.关键技术的研究,铝腔体表面处理微弧氧化,通过电解液与相应电参数的组合，在铝合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层在密闭腔体表面生长出50微米氧化铝陶瓷晶体薄膜，减少腔体内部的气体释放,15,5.关键技术的研究,微弧氧化前后的实验对比,实验腔体整体测试：采用带弹簧金属密封圈进行密封、铝不锈钢复合板过渡焊接、腔体表面微弧氧化、150高温72小时烘烤，并抽到10-7 Pa，杂质气体生成率为10-14 mbar.l/（s.cm2)，即一年内产生的杂质气体比例为0.1,出气率测试对比：未氧化：3.4510-14 mbar.l/(s.cm2)微弧氧化：3.1110-14 mbar.l/(s.cm2)残余气体组分对比：无论腔体氧化与否，残余气体主要成分是氢气、水、一氧化碳、二氧化碳等。微弧氧化后氢气含量是没有氧化的64%，水、一氧化碳、二氧化碳降了一个数量级,16,烘烤箱,多次循环,17,5.关键技术的研究,探测器组装和充气处理,技术指标：,充气压力:0-10 bar充气气体:Ar,CO2（比例可调）真空度:10-4 Pa烘烤温度:300,总结,完成了关键部件的测试完成了密闭式腔体的研究设计探测器加工和组装（正在进行）研究充气处理工艺和探测器长期稳定性问题,18,
