多气隙阻性井型探测器、放大单元、基材及制备方法与流程

本公开涉及微结构气体探测器技术领域，尤其涉及一种多气隙阻性井型探测器、放大单元、基材及制备方法。

背景技术

在当前的大型核与粒子物理实验中，粒子的飞行时间(time-of-flight，tof)与位置是非常重要的物理参数。飞行时间测量是进行末态带电粒子鉴别的非常重要而常用的手段。对撞产生的高能末态粒子，高速飞过有限的距离，要求飞行时间探测器具有非常好的时间分辨能力，才能区分不同粒子之间速度上的差异，与动量测量相结合，从而实现粒子鉴别。精确的时间测量通常还是实验中的触发所需要的，同时还能用来有效压制本底计数。位置测量则是对粒子的径迹与对撞点进行重建的必要手段，在高能物理实验中不可或缺。同时具有好的时间分辨与位置分辨的探测器在很多实验中都有很强的需求。另一方面，随着对撞机的能量和亮度不断提高，对探测器的计数率能力提出了很高的要求(＞10khz/mm²)，此外，随着实验规模的不断变大，还希望探测器具有较大的有效面积(～m²)以及较低的造价。因此，具有高计数率，高位置分辨，高时间分辨，可大面积制造的气体探测器是当前物理实验中一个非常迫切的需求。

阻性镀膜技术的发展对新型探测器的研发提供了有力的技术支持。2015年，cern的研究人员提出了多种利用微结构气体探测器来进行高精度时间测量的方法，这些用于高精度时间测量的微结构探测器被称为快时间响应微结构气体探测器(ftm-fasttimingmpgd)。多气隙阻性井型探测器(mrwell-multi-gapresistivewell)是ftm中的一种，其结构示如图1所示。该探测器的放大单元是一种全阻性井型结构，放大单元分为三层：上下两层为阻性电极，中间层为绝缘层，这种完全是阻性的井型结构加上一个漂移电极就能够形成一个单气隙的全阻性井型探测器。由于阻性材料对快信号透明的特性，这种单气隙的全阻性井型探测器进行叠加，可以制作成多气隙全阻性井型探测器。探测器的最下方是读出电极，读出信号是是每一个井型放大单元中雪崩电子运动在读出电极上产生的感应信号的总和。由于mrwell的每个气隙都很窄，因此能够有效减小由原初电离位置的不确定性造成的时间晃动，提高时间分辨。此外，由于mrwell探测器属于一种微结构气体探测器，故天生具有计数率能力高，位置分辨好的特点，因而在当前的高亮度物理实验，高计数率环境下的应用中具有非常大的应用前景。

现有的mrwell放大单元的制作流程是使用一面镀铜，另一面镀有阻性dlc(diamond-likecarbon，类金刚石碳)的apical(一种基于聚酰亚胺的材料)薄膜作为基材，通过刻蚀的方法制作出通孔，然后与双面镀有阻性dlc的apical薄膜组合形成井型放大单元。制作过程大致分为如图2所示几个步骤：1)在基材镀铜的一面进行刻蚀，把铜刻蚀出小孔阵列；2)对apical薄膜进行刻蚀：由于铜能够有效的阻挡化学溶液，只有在上层铜膜上有空的地方才能对apical进行刻蚀，因此刻蚀后在apical上会形成对应的孔阵列；3)将孔底部的悬浮着的dlc清除掉，形成通孔；4)移除基材顶部所有的铜；5)将基材倒扣过来，放置在一层双面镀有阻性dlc的apical上，形成井型结构。双面镀有阻性dlc的apical上和孔接触的阻性dlc作为井型结构的下层电极，而另外一面的阻性dlc将作为下一层放大结构的漂移电极。

然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，利用现有技术的制作方法制作出来的mrwell探测器放大单元主要存在两个缺点：

1、为了优化dlc的电阻、内应力等基本性能，通常镀在apical上的阻性dlc厚度为100nm左右，这种厚度的dlc很容易被溶液渗透，因此dlc在apical刻蚀过程中，无法对apical进行有效保护。现有技术方案在刻蚀前，都会把基材上有dlc的一面放置在一块抗刻蚀的硬质底板上，并用抗刻蚀的胶带把基材的四周贴紧密封，以防止刻蚀液进入，如图3所示。由于apical刻蚀完成后，要将其取下进行进一步处理，因此刻蚀基材不能与底板完全粘上，其中间部分与底板是分离的。由于基材的中间部分与底板是分离的，因此在apical刻蚀的过程中，当刻蚀液达到apical基材的底部时，会渗透并穿过apical底部的dlc进入到基材与底板之间的缝隙当中。如图4所示，当缝隙中的刻蚀液积累得较多时，刻蚀液又会再次渗透穿过dlc并于孔壁附近apical相接触并对其进行刻蚀。这种刻蚀是不受控制的，会破坏孔结构并导致该区域无法正常工作。为了避免这种情况出现，在现有技术方案中需要特别精确的控制apical刻蚀的时间，使得溶液刚好刻蚀到apical底部并与dlc接触时停止刻蚀。但是由于刻蚀溶液本身浓度具有不均匀性，并且也会随时间变化，因此很难控制好刻蚀时间。

2、放大单元的井型结构并不是一个真正的整体，而是将一个孔型结构扣合在dlc阻性层上，利用探测器工作时放大单元的上下dlc阻性电极所产生的静电力将两个部分吸在一起。当孔刻蚀得不好，或者探测器工作电压发生改变时，放大单元某些区域的上下两部分有可能脱离开来，导致探测器某些区域无法工作。

由于以上提到的这些缺点，目前利用现有技术的制作方法制备出来的mrwell探测器存在各种各样的问题，比如加不上高压，容易打火放电，加上高压却看不到信号等等。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种多气隙阻性井型探测器、放大单元、基材及制备方法，以缓解现有技术的制作工艺中难以控制刻蚀时间，导致井型孔被刻蚀液破坏，并且放大单元某些区域的上下两部分有可能脱离开来，导致探测器某些区域无法工作的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供一种多气隙阻性井型探测器放大单元，其由下至上依次包括：底部dlc层；底部apical层，所述底部dlc层镀在其下表面；prepreg层，粘接在所述底部apical层上；中部dlc层，粘接在所述prepreg层上；顶部apical层，所述中部dlc层镀在其下表面；以及顶部dlc层，镀接在所述顶部apical层上；其中，该放大单元的上表面上形成有多个起始于所述顶部dlc层的上表面，终止于所述中部dlc层的上表面的井型孔。

在本公开的一些实施例中，其中：所述底部apical层和所述顶部apical层的厚度均介于45μm至55μm之间；所述底部dlc层、所述中部dlc层和所述顶部dlc层的厚度均介于90nm至110nm之间。

根据本公开的另一个方面，还提供一种多气隙阻性井型探测器放大单元的基材，用于制备本公开提供的多气隙阻性井型探测器放大单元，其由下至上依次包括：第一基材，其由下至上依次包括：铜层；dlc层，所述铜层镀接于其下表面；以及apical层，所述dlc层镀接于其下表面；以及第二基材，其由下至上依次包括：底部铜层，其上用于设置接地或者接高压的线路和连接点；底部dlc层，所述底部铜层镀接在其下表面，该底部dlc层通过prepreg层粘接在所述第一基材的所述apical层的上表面上；apical层，所述底部dlc层镀接在其下表面；顶部dlc层，镀接在所述apical层上；以及顶部铜层，镀接于所述顶部dlc层上。

在本公开的一些实施例中，其中：所述第一基材和所述第二基材中的所述apical层的厚度均介于45μm至55μm之间；所述第一基材的所述dlc层以及所述第二基材中的所述底部dlc层和所述顶部dlc层的厚度均介于90nm至110nm之间；所述第一基材的所述铜层以及所述第二基材的所述顶部铜层的厚度均介于4μm至4.5μm之间。

根据本公开的另一个方面，还提供一种多气隙阻性井型探测器放大单元的基材的制备方法，用于制作本公开提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的基材，包括：步骤1、将所述第二基材的所述底部铜层进行刻蚀，制作出用于接地或者接高压的线路和连接点；步骤2、将prepreg层粘接到所述第二基材露出的底部dlc层上；步骤3、将所述第一基材的所述apical层粘接到与所述第二基材相连的所述prepreg层上。

在本公开的一些实施例中，所述步骤2和所述步骤3中，粘接过程中对所述prepreg层施加10kg/cm²至20kg/cm²的压强。

根据本公开的另一个方面，还提供一种多气隙阻性井型探测器放大单元的制备方法，包括：步骤a：在本公开提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的基材的所述顶部铜层上进行刻蚀，形成小孔阵列；步骤b：对步骤a得到的基材的顶部铜层进行喷砂处理；步骤c：将步骤b得到的基材放入apical刻蚀液中进行刻蚀，形成井型孔；步骤d：使用高压气枪对步骤c得到的基材刻蚀出孔的一面进行吹扫，移除所述井型孔上方残留的所述顶部dlc层；步骤e：将步骤d得到的基材放入铜刻蚀液中进行刻蚀，移除上下表面的铜，得到如权利要求1或权利要求2所述的多气隙阻性井型探测器放大单元。

在本公开的一些实施例中，所述步骤d中，首先将所述步骤c得到的基材进行清洁并烘干，然后使用高压气枪进行吹扫。

在本公开的一些实施例中，所述步骤e中，刻蚀完毕后，将得到的基材进行清洁并烘干。

根据本公开的另一个方面，还提供一种多气隙阻性井型探测器，包括：本公开提供的多气隙阻性井型探测器放大单元；以及读出电极，与所述多气隙阻性井型探测器放大单元连接，用于读出每一个井型放大单元中雪崩电子运动在读出电极上产生的感应信号的总和。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的多气隙阻性井型探测器、放大单元、基材及制备方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)极大的提高了多气隙阻性井型探测髂的稳定性：本公开提供的多气隙阻性井型探测器放大单元是一个整体，不再需要依靠工作时电极产生的静电力来把单元上下两部分吸在一起，因此，在探测器打火放电，工作电压改变时，放大单元也不会因为静电力的改变而造成井型结构的变化，因此能极大的提高探测器的稳定性；

(2)使得探测器的设计更加灵活，扩大了探测器的应用范围：本公开提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的基材的制备方法，可以灵活利用基材上下表面的铜制作供电和接地用得线路，这对不同计数率环境下的应用具有非常重要的意义，此外，由于放大单元是一个整体，探测器完全可以制作成圆柱形等非平面结构，对拓展探测器的应用范围有着非常积极的作用。

(3)极大提高了探测器的成品率和各项性能：多气隙阻性井型探测器放大单元的关键部分是apical材料上刻蚀出来的井型孔，当探测器工作时，井型孔上下的dlc阻性电极被加上高压，漂移电极和井型孔上方dlc电极产生的电场线会被聚焦到孔内，从而在孔内产生很强的电场，对进入其中的带电粒子进行雪崩放大，因此，井型孔的形状是否规整对探测器性能有着巨大的影响，在本公开提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的制备方法的步骤c中，当溶液刻蚀到apical层的底部并接触dlc层时，会被prepreg层阻挡住，因此不会发生现有技术中的制备方法中存在的因为刻蚀液的渗透和积累造成孔底部附近apical层受到不受控制的刻蚀的问题，使用本公开提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的制备方法制备出的放大单元具有很好的孔型，能够有效的避免现有探测器中由于孔型不规则或者坏孔造成的加不上高压，容易打火放电以及看不到信号等问题。

附图说明

图1为现有技术中的多气隙全阻性井型探测器的结构与工作原理示意图。

图2为现有技术中的多气隙全阻性井型探测器放大单元的制做流程图。

图3为现有技术的制备方法中基材在抗刻蚀底板上的安装示意图。

图4为现有技术中刻蚀液穿过apical底部的dlc薄膜并腐蚀孔壁的过程示意图。

图5为本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的结构示意图。

图6为本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的基材的结构示意图。

图7为本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的第一基材(右)和第二基材(左)的结构示意图。

图8为本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的基材的制备方法的流程示意图。

图9为本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的制备方法的流程示意图。

图10为本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的制备方法中步骤a得到的基材的结构示意图。

图11为本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的制备方法中步骤b得到的基材的结构示意图。

图12为本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的制备方法中步骤c得到的基材的结构示意图。

图13为本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的制备方法中步骤d得到的基材的结构示意图。

图14为本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的制备方法中步骤e得到的基材的结构示意图。

具体实施方式

本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器、放大单元、基材及制备方法最大限度的利用已有刻蚀工艺的同时，消除现有技术的制备方法在apical刻蚀时溶液对孔壁底部进行的不可控腐蚀的问题，并使得放大单元成为一个真正的整体，极大的提高探测器的成品率以及工作稳定性，此外，本公开提供的多气隙阻性井型探测器、放大单元、基材及制备方法能使得探测器的电极设计更加灵活，对促进多气隙阻性井型探测器的应用具有积极的意义。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

根据本公开的一个方面，提供一种多气隙阻性井型探测器放大单元，如图5所示，其由下至上依次包括：底部dlc层；底部apical层，底部dlc层镀接在其下表面；prepreg层，粘接在底部apical层上；中部dlc层，粘接在prepreg层上；顶部apical层，中部dlc层镀接在其下表面；以及顶部dlc层，镀接在顶部apical层上；其中，该放大单元的上表面上形成有多个起始于顶部dlc层的上表面，终止于中部dlc层的上表面的井型孔，本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元是一个整体，不再需要依靠工作时电极产生的静电力来把单元上下两部分吸在一起，因此，在探测器打火放电，工作电压改变时，放大单元也不会因为静电力的改变而造成井型结构的变化，能极大的提高探测器的稳定性。

在本公开的一些实施例中，其中：底部apical层和顶部apical层的厚度均介于45μm至55μm之间；底部dlc层、中部dlc层和顶部dlc层的厚度均介于90nm至110nm之间。

根据本公开的另一个方面，还提供一种多气隙阻性井型探测器放大单元的基材，如图6所示，用于制备本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元，该基材由下至上依次包括第一基材和第二基材。

在本公开的一些实施例中，如图7右半部分所示，第一基材由下至上依次包括：铜层、dlc层以及apical层；其中，铜层镀接于dlc层的下表面上，dlc层镀接于apical层的下表面上。

在本公开的一些实施例中，如图7左半部分所示，其由下至上依次包括：底部铜层、底部dlc层、apical层、顶部dlc层以及顶部铜层；其中，底部铜层根据应用需求可以通过刻蚀工艺制作出用于接地或者接高压的线路和连接点；底部铜层镀接在底部dlc层的下表面上，底部dlc层通过prepreg层粘接在第一基材的apical层的上表面上；底部dlc层镀接在apical层的下表面上；顶部dlc层镀接在apical层上；顶部铜层镀接于顶部dlc层上。

此处需要补充说明的是，第二基材的底部铜层经过刻蚀形成线路和连接点后将与其镀接的底部dlc层裸露出来，因此在图6中未将第二基材的底部铜层示出。

在本公开的一些实施例中，其中：第一基材和第二基材中的apical层的厚度均介于45μm至55μm之间；第一基材的dlc层以及第二基材中的底部dlc层和顶部dlc层的厚度均介于90nm至110nm之间；第一基材的铜层以及第二基材的顶部铜层的厚度均介于4μm至4.5μm之间。

根据本公开的另一个方面，还提供一种多气隙阻性井型探测器放大单元的基材的制备方法，如图8所示，用于制作本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的基材，包括：步骤1、将第二基材的底部铜层进行刻蚀，制作出用于接地或者接高压的线路和连接点；步骤2、将prepreg层粘接到第二基材露出的底部dlc层上；步骤3、将第一基材的apical层粘接到与第二基材相连的prepreg层上。

在本公开的一些实施例中，步骤2和步骤3中，粘接过程中对prepreg层施加10kg/cm²至20kg/cm²的压强，以保证粘接的可靠性。

根据本公开的另一个方面，还提供一种多气隙阻性井型探测器放大单元的制备方法，如图9所示，包括：步骤a：如图10所示，在本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元的基材的顶部铜层上进行刻蚀，形成小孔阵列；步骤b：如图11所示，对步骤a得到的基材的顶部铜层进行喷砂处理，由于顶部dlc层的厚度仅为100nm左右，因此无法承受细砂粒的轰击，会被细沙粒轰击出很多孔，而铜的厚度为4.3μm左右，故细沙粒只能对铜的表层造成破损；步骤c：如图12所示，将步骤b得到的基材放入apical刻蚀液中进行刻蚀，形成井型孔，基材表面有铜覆盖的地方仍然能够有效阻挡刻蚀液的渗透，而顶部dlc层上有很多沙粒轰击出的小孔，更加有利于刻蚀液的渗透；步骤d：如图13所示，使用高压气枪对步骤c得到的基材刻蚀出孔的一面进行吹扫，移除井型孔上方残留的顶部dlc层；步骤e：如图14所示，将步骤d得到的基材放入铜刻蚀液中进行刻蚀，移除上下表面的铜，得到本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元。

在本公开的一些实施例中，步骤d中，首先将步骤c得到的基材进行清洁并烘干，然后使用高压气枪进行吹扫。

在本公开的一些实施例中，步骤e中，刻蚀完毕后，将得到的基材进行清洁并烘干。

根据本公开的另一个方面，还提供一种多气隙阻性井型探测器，包括：本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器放大单元以及读出电极，该读出电极与多气隙阻性井型探测器放大单元连接，用于读出每一个井型放大单元中雪崩电子运动在读出电极上产生的感应信号的总和。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器、放大单元、基材及制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器、放大单元、基材及制备方法消除了现有技术的制备方法在apical刻蚀时溶液对孔壁底部进行的不可控腐蚀的问题，并使放大单元成为一个真正的整体，极大的提高探测器的成品率以及工作稳定性，此外，本公开实施例提供的多气隙阻性井型探测器、放大单元、基材及制备方法能使得探测器的电极设计更加灵活，对促进多气隙阻性井型探测器的应用具有积极的意义。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。