本公开一般涉及粒子物理实验、辐射探测领域，具体涉及气体探测器领域，尤其涉及一种具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器。
背景技术：
在粒子物理实验(即高能物理实验)、辐射探测等领域，气体探测器是重要的探测手段。当前气体探测器最新的发展方向是微结构气体探测器(micro-patterngaseousdetector，mpgd)，如气体电子倍增器(gaseouselectronmultiplier，gem)、厚型气体电子倍增器(厚gem)，micromegas(mm)等。其中厚gem是目前国内发展比较全面的微结构气体探测器，其不仅实现了国产化，而且已向多样化发展。厚gem具有增益高、造价便宜、结实耐用等优点。随着厚gem在tpc径迹室读出，强子量能器(dhcal)，x射线成像和热中子探测器等方面的应用，对其需求也越来越多样化，性能要求也越来越高。其中一个重要的方面就是减小厚度，提高增益。减小厚度意味着减小探测器谱仪的整体体积，从而降低造价，特别是需要几十层模块在径向叠加的情况下尤其重要。单层模块厚度的少量减小，在几十层模块的情况下厚度就能有明显的减小。
减小厚度有两方面含义，一方面是单层基材的厚度，基材越薄，对探测对象吸收、散射等的影响越小，放射性本底也越低，如中子探测，低本底实验；另一方面是多层厚度，即通常需要将厚gem通过多层叠加来达到稳定的高增益，层与层之间有穿越气隙和电场，通常为1～2mm。总体结构再加上漂移区、收集区，还有外壳腔室等，总体厚度一般在20mm以上。而对于强子量能器及低本底实验等应用，要求总体厚度越薄越好，而增益要求越高越稳定越好。
针对这一要求，一般的思路是减少层数，将三层减小为两层，两层减少为一层。或者将收集区去掉，把厚gem膜直接贴到感应板上。另外一种是所谓的井型厚gem(well-thgem)，其仅由一层厚gem和感应板相贴在一起构成。省掉了收集区。以上方案都有相应的问题和缺点。
现有方案中，通过减少层数的方式可以减小厚度，但是有效倍增同时也减小了，对单层厚gem膜的增益和增益稳定性要求就提高了。而单层厚gem膜可达到的增益较小，且在增益较大时很容易老化，增益波动较大，性能不稳定，也容易因高增益打火损坏。因而现有方案是在损失一定性能的前提下减小厚度。另一方面，在大面积情况下，多层厚gem叠加的结构存在平行度问题，因为有重力和电场力的影响，面积越大，变形越大，需要考虑增加支撑，从面减少灵敏面积，或者用外力结构拉得很直。否则增益均匀性就存在很大问题。对于井型厚gem(well-thgem)方案，此结构需要利用厚gem上表面和感应板感应pad或者strip来构成强电场雪崩倍增，且增益只有一层，因此不容易达到稳定的高增益，容易打火。通过在感应面涂阻性层可以降低打火率，但是工艺比较复杂。且感应板跟厚gem做在一起，当打火损坏之后，包括感应板和电子学均要一同换掉，对运行维护非常不利，因为gem和厚gem打火损坏的情况还是容易发生的。
技术实现要素：
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种平行度高、孔位对齐、厚度小的具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器。
第一方面，本发明的具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器，包括由交替层叠设置的铜层和绝缘层构成的膜板，铜层与绝缘层紧密贴合，膜板的顶层和底层均设置为铜层，膜板上布设有多个贯穿直孔，贯穿直孔贯穿顶层及底层，贯穿直孔内壁设置有绝缘环，绝缘环隔绝铜层与贯穿直孔内腔。
根据本申请实施例提供的技术方案，通过交替层叠设置的铜层和绝缘层构成的膜板，铜层与绝缘层紧密贴合，去掉了常规多层叠加结构之间设置的穿越区，减少了多层结构的厚度，膜板整体制作贯穿直孔，保证了孔位对齐，各层之间变形及平行度相同，能够解决多层结构孔位之间对齐和错位、多层之间变形及平行度不同的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的实施例的具有三层结构单膜的厚型气体电子倍增器的结构示意图；
图2为本发明的实施例的具有两层结构单膜的厚型气体电子倍增器的倍增级和电场分布示意图；
图3为本发明的实施例的具有三层结构单膜的厚型气体电子倍增器的倍增级和电场分布示意图；
图4为本发明的实施例的具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器的贯穿直孔阵列的结构示意图；
图5为本发明的实施例的具有两层结构单膜的厚型气体电子倍增器的增益曲线示意图；
图6为本发明的实施例的具有三层结构单膜的厚型气体电子倍增器的增益曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的其中一个实施例为，请参考图1，本发明的具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器，包括由交替层叠设置的铜层12和绝缘层11构成的膜板10，铜层12与绝缘层11紧密贴合，膜板10的顶层和底层均设置为铜层12，膜板10上布设有多个贯穿直孔13，贯穿直孔13贯穿顶层及底层，贯穿直孔13内壁设置有绝缘环14，绝缘环14隔绝铜层12与贯穿直孔13内腔。
在本发明的实施例中，具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器的层与层之间不设置穿越区，并且具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器的层与层之间没有间距，有效地减小了具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器的厚度，保证了多层结构的层与层之间的平行度和变形一致，贯穿直孔通过一次整体钻孔而成，克服了现有技术中多层上的孔位错位和孔不容易对位的问题，相邻两层电极之间即可形成一层雪崩倍增结构，通过一层接着另一层的级联雪崩，很快达到10000增益或更高，不再需要穿越间隙，时间响应也更快。
进一步的，任意三个相邻的贯穿直孔13呈正三角形排布。
进一步的，任意两相邻贯穿直孔13之间的中心距相等。
进一步的，单层绝缘层11厚度设置为0.05～0.75mm，单层铜层12厚度设置为0.2～1.5oz。
进一步的，贯穿直孔13的孔径为0.05～1.0mm，任意两相邻贯穿直孔13中心之间的间隙为0.15～2.0mm。
进一步的，绝缘环14通过贯穿直孔13边缘腐蚀而成，绝缘环14宽度为10～100μm。
在本发明的实施例中，具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器可以根据客户需求进行基材类型、每层绝缘厚度、每层铜厚等关键参数的定制，也可以在标准常用类型和参数范围内选择。通常每层绝缘厚度在0.05～0.75mm，铜箔厚度0.2～1.5oz。pcb板上钻的孔阵列通常以正三角形排列，孔径0.05～1.0mm，孔间隙0.15～2.0mm。绝缘环大小在10～100um范围。孔加工出来后，需要进行孔边缘的腐蚀，即绝缘环腐蚀，通过一次性整体钻孔获得贯穿直孔，再腐蚀得到同心度极高的多层绝缘环，因此不存在对齐和错位的问题。
本发明的另一个实施例为，本发明的厚型气体电子倍增器，包括依次设置的漂移电极20、具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器10、收集电极30和感应板40，漂移电极20与具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器10之间设置漂移区21，具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器10与收集电极30之间设置收集区31，收集电极30与感应板40电连接。
在本发明的实施例中，具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器的层与层之间不设置穿越区，并且具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器的层与层之间没有间距，有效地减小了具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器的厚度，保证了多层结构的层与层之间的平行度和变形一致，贯穿直孔通过一次整体钻孔而成，克服了现有技术中多层上的孔位错位和孔不容易对位的问题，相邻两层电极之间即可形成一层雪崩倍增结构，通过一层接着另一层的级联雪崩，很快达到10000增益或更高，不再需要穿越间隙，时间响应也更快。厚型气体电子倍增器在工作过程时，在漂移电极、具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器上的铜层和收集电极上分别加上依次升高的电压，一次电子在漂移区的电场作用下向下漂移，部分电子进入具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器的贯穿直孔内，由于贯穿直孔直径很小，膜上各级之间的距离很小，而电压较高，使漂移电极和收集电极之间的电力线在贯穿直孔内密集产生高强度雪崩双极电场，电子在这个电场中获得足够大的能量去离化更多惰性气体原子，电离出来的电子同样具有很高的能量，能够使气体发生电离，从而形成雪崩电离放大，放大后的电子在收集区的电场作用下继续向下漂移，最后被收集电极收集，通过感应板读出信号。
图2为两层结构m-thgem和图3为三层结构m-thgem的倍增级和电场分布，上为漂移区，下为收集区，电子从上面漂移区进入微孔之后，微孔中的强电场能够使电子在工作气体中发生雪崩倍增，从而得到逐级放大。
图4为厚gem典型的微孔阵列实物图(已放大)，包括孔径、孔间距，绝缘环，铜电极和基材等典型特征。m-thgem与厚gem(即thgem)微孔阵列表面外观没有明显区别。但是通常m-thgem中间层的铜厚比顶层底层的要薄，并且在腐蚀过程中，中间层铜环上下两面都有绝缘材料，而顶层和底层只有一侧有绝缘材料，所以腐蚀速率和效果在各层是不相同的，结果是顶层和底层的绝缘环会比中间的绝缘环大，这是m-thgem的特点之一。
图5为两层m-thgem的增益曲线、图6为三层m-thgem的增益曲线，图5为ar+co2＝90:10工作气体，增益达到2*10^4，工作坪长达到130v(如从560到690v)左右。图6为ar+ic4h10＝97:3工作气体，性能相当。
可见，m-thgem将多层雪崩倍增巧妙的与pcb多层板技术相结合，即减小了多层叠加的总厚度，又能够保持多层有效的雪崩倍增达到高增益，且时间分辨也有相应的提高，同时保证各层孔与环的高同心度，避免了对位及各层平行度等影响增益均匀性及稳定性的因素。此结构在工艺上相对比较容易加工制作，也比较成熟可靠，不需要增加额外的复杂的工艺环节，如镀阻性层以减少打火等。因此本发明公开的多层结构m-thgem具有很好的应用前景。
本发明通过将具有多层结构单膜的厚型气体电子倍增器的一片多层结构来实现一体的多层雪崩倍增，即省掉了穿越区，又保证多层的有效增益，从而达到在减小厚度的同时，保持高的稳定增益。此技术方案同时解决了多层厚gem之间变形和平行度问题，有效保证了均匀性。而所有孔在多层中都是一次钻出来，不存在任何的同心度和错位问题。在一张膜上多层增益，各层承担的增益均较小，打火损坏的概率得到降低，而且即使损坏，也不用连同感应板一起更换。而当m-thgem打火控制在足够低的前提下，也可以和感应板做在一起，达到更紧凑的结构，不需要阻性处理。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。