一種等離子體平板探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種等離子體平板探測器，該探測器包括透明電極、蔭罩、介質(zhì)障壁和讀出電極。所述透明電極與蔭罩之間存在距離，保證待探測信號以較高的轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化為自由電子。所述介質(zhì)障壁為“井”字型格狀結(jié)構(gòu)，將整個探測區(qū)域劃分成若干探測區(qū)間，并支撐起蔭罩。所述蔭罩為包含網(wǎng)格孔陣列的金屬板，上面分布的通透小孔構(gòu)成探測器的微孔單元。所述蔭罩、介質(zhì)障壁和讀出電極自上而下依次連接，并與上方的透明電極一起形成相對封閉的空間。所述探測器空間內(nèi)充有稀有氣體或者稀有氣體與淬滅氣體的混合氣體。本發(fā)明是一種結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，同時性能良好的探測器，可實現(xiàn)各類輻射的探測。
【專利說明】一種等離子體平板探測器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及探測器，具體涉及一種新型的等離子體平板探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體探測器是歷史最悠久的一類探測器，在早期的核物理發(fā)展中氣體探測器發(fā)揮了不可或缺的作用。隨著環(huán)境監(jiān)測，核物理，生物醫(yī)學(xué)等科學(xué)的發(fā)展迫使人們對探測器的需求不斷提高。由于氣體探測器獨特的優(yōu)點，氣體探測器成為目前應(yīng)用最為廣泛的探測器之一。氣體探測器是指以氣體作為探測介質(zhì)，利用電極收集入射粒子在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來探測粒子，獲取入射粒子的位置，時間，數(shù)量等信息的一類探測器的統(tǒng)稱。氣體探測器的種類和結(jié)構(gòu)繁多，適用于各種不同的場合。
[0003]最初出現(xiàn)的位置靈敏氣體探測器是多絲正比室，該探測器增益高，噪音小，靈敏區(qū)尺寸、形狀不受限制。但是多絲正比室制作工藝上絲不易固定，絲強(qiáng)度也有待提高。微條正比室利用同一平面上的微條代替多絲正比室中的絲平面，微條正比室響應(yīng)時間快，計數(shù)能力高，能量分辨率好。但是微條正比室的增益穩(wěn)定性還有待提高。隨后出現(xiàn)的微間隙氣體探測器計數(shù)率和增益高，響應(yīng)時間快，但是微間隙氣體探測器的制備技術(shù)要求高，僅能實現(xiàn)小規(guī)模的生產(chǎn)。目前流行的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)氣體探測器和氣體電子倍增器除了具有增益高，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點外，與其他探測器相比，具有顯著優(yōu)越性，是兩種具有良好發(fā)展前景的氣體探測器。
[0004]盡管目前已經(jīng)存在了上述氣體探測器，新型的氣體探測器仍不斷涌現(xiàn)，以滿足日益增長的探測需要。為了進(jìn)一步降低探測器的生產(chǎn)成本，簡化制作工藝，一些研究人員試圖將其他的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到探測領(lǐng)域。等離子體平板顯示器(PDP)的結(jié)構(gòu)就是一個很好的候選者。美國的Peter Friedman提出了等離子體平板傳感器(PPS), PPS就是利用PDP結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了探測的功能，PPS增益高，響應(yīng)時間快，分辨率高，是一個非常具有開發(fā)潛力的探測器，目前該探測器仍處于研發(fā)階段。但是此類探測器證明了 PDP結(jié)構(gòu)在探測領(lǐng)域的巨大潛力。經(jīng)過合理設(shè)計，優(yōu)化，基于PDP結(jié)構(gòu)，成本更低廉，增益更高的氣體探測器有望被提出。
[0005]蔭罩式rop (SM-PDP)是由東南大學(xué)顯示技術(shù)研究中心提出的一種新型PDP結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與對向PDP結(jié)構(gòu)類似。唯一不同的是SM-PDP利用金屬蔭罩代替了對向rop的介質(zhì)障壁。研究表明該結(jié)構(gòu)具有著火電壓低，響應(yīng)頻率高，壽命長等優(yōu)點，是一種很有競爭力的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中的探測器即是基于這種SM-PDP的結(jié)構(gòu)演變得到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于提供一種生產(chǎn)成本低且增益高的氣體探測器。此類探測器的結(jié)構(gòu)與等離子體平板顯示器的結(jié)構(gòu)存在很多相似之處，可部分繼承等離子體平板顯示器的制作工藝，因此在生產(chǎn)成本上占有優(yōu)勢。
[0007]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的方案為:一種等離子體平板探測器，該探測器從上到下依次包括透明電極、蔭罩、介質(zhì)障壁和讀出電極；[0008]所述透明電極與蔭罩之間存在距離，保證待探測信號以較高的轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化為自由電子；所述介質(zhì)障壁將整個探測區(qū)域劃分成若干探測區(qū)間，并支撐起蔭罩；所述蔭罩為包含網(wǎng)格孔陣列的金屬板，上面分布的通透小孔構(gòu)成探測器的微孔單元；
[0009]透明電極、蔭罩、介質(zhì)障壁和讀出電極一起形成相對封閉的空間；所述空間內(nèi)充有稀有氣體或者稀有氣體與淬滅氣體的混合氣體。
[0010]優(yōu)選的，所述蔭罩上開有凹槽。
[0011]優(yōu)選的，介質(zhì)障壁為“井”字型格狀結(jié)構(gòu)，將整個探測區(qū)域劃分成若干探測區(qū)間。
[0012]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0013]結(jié)構(gòu)簡單，成本低:本發(fā)明可部分繼承PDP制作技術(shù)和工藝。因此在制作成本上占有優(yōu)勢。
[0014]增益高:倍增在蔭罩與讀出電極之間進(jìn)行，蔭罩與讀出電極之間的距離很短，即便施加電壓很低時，也易在倍增區(qū)內(nèi)形成強(qiáng)電場。與其他探測器相比，本發(fā)明在相同的工作電壓下，增益較高。
[0015]空間分辨率高:探測器由相同的單元陣列組成，每個單元之間的信號單獨讀出，相鄰單元信號之間的串?dāng)_小，空間分辨率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1 一種等離子體平板探測器的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖2 —種等離子體平板探測器中介質(zhì)障壁的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖3 —種等離子體平板探測器中蔭罩翻轉(zhuǎn)后的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖4 一種等離子體平板探測器的單個探測區(qū)間的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖5 —種等離子體平板探測器的理論增益特性。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0022]本發(fā)明提供的等離子體平板探測器，該探測器從上到下依次包括透明電極1、蔭罩
2、介質(zhì)障壁3和讀出電極5。
[0023]所述透明電極I與蔭罩2之間存在距離，保證待探測信號以較高的轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化為自由電子；所述介質(zhì)障壁3將整個探測區(qū)域劃分成若干探測區(qū)間，并支撐起蔭罩2 ;所述蔭罩2為包含網(wǎng)格孔陣列的金屬板，上面分布的通透小孔4構(gòu)成探測器的微孔單元。
[0024]透明電極1、蔭罩2、介質(zhì)障壁3和讀出電極5 —起形成相對封閉的空間；所述空間內(nèi)充有稀有氣體或者稀有氣體與淬滅氣體的混合氣體。
[0025]所述蔭罩2上開有凹槽。
[0026]介質(zhì)障壁3為“井”字型格狀結(jié)構(gòu)，將整個探測區(qū)域劃分成若干探測區(qū)間。
[0027]本發(fā)明為封閉空間，由透明電極1，蔭罩2，介質(zhì)障壁3和條形讀出電極5組成。工作時空間內(nèi)充有稀有氣體或者稀有氣體與淬滅氣體的混合氣體。蔭罩2，介質(zhì)障壁3和讀出電極5依次銜接，形成一個個獨立的倍增區(qū)，倍增區(qū)由介質(zhì)障壁3隔斷。透明電極I與蔭罩2之間存在漂移區(qū)。首先探測器工作時需要在圖1中透明電極1，蔭罩2和讀出電極5上分別施加電壓。透明電極I與蔭罩2上電壓一般為負(fù)幾百伏特，蔭罩2電壓比透明電極I電壓略高幾伏。讀出電極5接地。因為蔭罩上小孔的存在，在探測器的漂移區(qū)形成雙極型電場，雙極型電場對電子有收集作用，初始電子在漂移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生后，在雙極型電場的作用下，能順利透過蔭罩2上的小孔，進(jìn)入由蔭罩2，介質(zhì)障壁3和讀出電極5圍成的倍增區(qū)。倍增長度即為介質(zhì)障壁3的高度，一般較短，在此距離上施加幾百伏的電壓可保證倍增區(qū)內(nèi)電場很強(qiáng)。由此該平板探測器的【具體實施方式】如下:待探測射線由透明電極I上方射入，射線可透過透明電極1，在透明電極與蔭罩2之間，即漂移區(qū)，轉(zhuǎn)化為自由電子。自由電子在漂移區(qū)內(nèi)雙極型電場的作用下穿過小孔4，進(jìn)入介質(zhì)障壁3包圍的倍增區(qū)，由于倍增區(qū)內(nèi)電場很強(qiáng)，電子在封閉空間內(nèi)被放大。最后放大后電子信號繼續(xù)向讀出電極運動，最后被讀出電極讀出。放大過程中產(chǎn)生的離子緩慢向相反的方向運動，最后又穿過小孔，進(jìn)入漂移區(qū)，在該發(fā)明中，介質(zhì)障壁3 —方面作為墊片,分離蔭罩2與讀出電極5 ;另一方面作為障壁,將每個單元隔離開，實現(xiàn)入射信號的位置探測。
[0028]圖3為探測器的蔭罩(翻轉(zhuǎn)后)三維結(jié)構(gòu)圖。圖3表明，蔭罩下表面可開凹槽，以保證更高的增益。
[0029]圖5是利用Garfield軟件仿真平板探測器內(nèi)增益的結(jié)果。此時假定探測器內(nèi)單個探測區(qū)間的長和寬均為280 μ m,漂移區(qū)長度200 μ m,整個蔭罩厚30 μ m,上面開有20 μ m深的凹槽，一個單元的蔭罩的凹槽內(nèi)均勻開有16個圓柱形小孔，小孔直徑為35 μ m,小孔間距也為35 μ m。介質(zhì)障壁高度30 μ m。探測器內(nèi)充有的工作氣體為Ar/C02 (70/30)，氣壓為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。仿真中初始電子直接放置在光電陰極表面，初始電子經(jīng)過探測單元的倍增后增益與探測器施加電壓的關(guān)系曲線如圖5。圖5表明探測器增益隨電壓指數(shù)增長，并且當(dāng)工作電壓為350V時，增益即達(dá)到10000，該值比同等條件下，氣體電子倍增器的理論增益還高。由此說明，此平板探測器在實現(xiàn)高增益方面具有很大潛力。
[0030]本發(fā)明的等離子體平板探測器，所述探測器主要由透明電極、蔭罩、介質(zhì)障壁和讀出電極四部分組成，如圖1。這四部分組成封閉的探測空間，內(nèi)部充有工作氣體。所述介質(zhì)障壁為“井”字型格狀結(jié)構(gòu)，如圖2，在探測器中發(fā)揮兩個作用:一方面將整個探測區(qū)域劃分成若干探測區(qū)間，另一方面，介質(zhì)障壁支撐起蔭罩，使所述蔭罩與讀出電極之間存在間隙。當(dāng)讀出電極與蔭罩之間存在電壓差，強(qiáng)電場在介質(zhì)障壁、蔭罩和讀出電極包圍的區(qū)域內(nèi)形成。蔭罩，介質(zhì)障壁和讀出電極依次銜接，三者包圍的強(qiáng)電場區(qū)域也被稱為倍增區(qū)(為了表述清晰，圖1中將它們分離)。所述的蔭罩為包含網(wǎng)格孔陣列的金屬板，其材料可以為鐵、含鐵合金、其他金屬合金或表面鍍有導(dǎo)電材料膜的非金屬材料。圖1中的蔭罩翻轉(zhuǎn)后的結(jié)構(gòu)如圖3，圖3中的金屬蔭罩上表面上開有與介質(zhì)障壁對應(yīng)的凹槽，凹槽內(nèi)又開有通透小孔，構(gòu)成探測器的微孔單元。具體實現(xiàn)時，為了簡化探測器的制作工藝，蔭罩可簡化為一個其上分布有通透微孔的金屬平板。透明電極對待探測的輻射信號透明，待探測信號可透過透明電極進(jìn)入探測器。所述透明電極所在平面與蔭罩所在平面之間存在一定區(qū)域，該區(qū)域被稱為漂移區(qū)。讀出電極為一組互相平行的金屬條，每根金屬條之間互相獨立。一條金屬條上讀出的信號為該金屬條上方一行探測單元內(nèi)的信號。
[0031]整個探測器可以看成由若干探測區(qū)間組成，每個探測區(qū)間內(nèi)又由蔭罩的微孔劃分為若干微孔探測單元。單個探測區(qū)間的結(jié)構(gòu)如圖4，單個探測區(qū)間面積一定的條件下，可以通過調(diào)整微孔單元的個數(shù)、形狀、大小和分布，改變探測器的特性。
[0032]介質(zhì)障壁劃分成的單個探測區(qū)間尺寸可通過改變介質(zhì)障壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。[0033]輸入信號在漂移區(qū)轉(zhuǎn)化為自由電子，自由電子產(chǎn)生原理可變:可以是輸入信號直接電離中性工作氣體產(chǎn)生電子，也可以在透明電極或蔭罩上表面涂覆光電材料，入射信號經(jīng)過光電材料轉(zhuǎn)化為自由電子，或者其他可行方案。
[0034]所述的蔭罩結(jié)構(gòu)，理想條件下，蔭罩上開有凹槽。但實際情況下，可根據(jù)工藝條件，對凹槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行取舍。蔭罩上分布的小孔的數(shù)目，分布，長、寬、高和形狀等均可調(diào)，小孔可以是圓柱形，單錐形或雙錐形。小孔尺寸可調(diào)。
[0035]應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種等離子體平板探測器，其特征在于:該探測器從上到下依次包括透明電極(I)、蔭罩(2)、介質(zhì)障壁(3)和讀出電極(5); 所述透明電極(I)與蔭罩(2)之間存在距離，保證待探測信號以較高的轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化為自由電子；所述介質(zhì)障壁(3)將整個探測區(qū)域劃分成若干探測區(qū)間，并支撐起蔭罩(2);所述蔭罩(2)為包含網(wǎng)格孔陣列的金屬板，上面分布的通透小孔(4)構(gòu)成探測器的微孔單元； 透明電極(I)、蔭罩(2)、介質(zhì)障壁(3)和讀出電極(5)—起形成相對封閉的空間；所述空間內(nèi)充有稀有氣體或者稀有氣體與淬滅氣體的混合氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子體平板探測器，其特征在于:所述蔭罩(2)上開有凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子體平板探測器，其特征在于:介質(zhì)障壁(3)為“井”字型格狀結(jié)構(gòu)，將整個探測區(qū)域劃分成若干探測區(qū)間。
【文檔編號】G01N27/00GK103713015SQ201310730742
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】張盼盼, 屠彥, 楊蘭蘭, 陳仲珊, 王莉莉 申請人:東南大學(xué)