[發明專利]制備阻性氣體電子倍增器薄膜的方法和阻性氣體電子倍增器薄膜

有效

• 申請號: 201810957329.5
• 申請日: 2018-08-21
• 公開（公告）號: CN109148253B
• 公開（公告）日: 2020-01-03
• 發明（設計）人: 周意;王旭;尚倫霖;張廣安;魯志斌;劉建北;張志永;呂游;邵明
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01J47/02
• 分類號: H01J47/02;G01N27/12
• 代理公司: 11021 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 程紓孟

本發明提供一種用于制備阻性氣體電子倍增器薄膜的方法，其可以形成包含依次層疊的第一類金剛石碳層、聚酰亞胺系薄膜和第二類金剛石碳層并且具有通孔陣列的阻性氣體電子倍增器薄膜。該方法包括使用保護層、噴砂處理和濕法刻蝕的組合形成通孔。本發明的方法形成的包含類金剛石碳層的阻性氣體電子倍增器薄膜缺陷少，性能穩定。本發明還提供了氣體電子倍增器薄膜和氣體電子倍增器。

技術領域

本發明涉及微結構氣體探測器領域，具體地，涉及制備用于阻性氣體電子倍增器薄膜的方法、阻性氣體電子倍增器薄膜和阻性電子倍增器。

背景技術

氣體電子倍增器(GEM，Gas Electron Multiplier)是當前微結構氣體探測器(MPGD，Micro-Pattern Gaseous Detector)中廣為應用的探測器。GEM探測器的主體由GEM薄膜構成。GEM薄膜通常是在聚酰亞胺系薄膜的兩側設置電極層。已提出的電極層包括銅層、鉻層、阻性聚酰亞胺系薄膜層等。為了GEM正常工作，需要在GEM薄膜中形成通孔的陣列。當電子在電場作用下經過通孔時，與氣體分子發生碰撞和電離產生多個次級電子，通過氣體雪崩放大過程實現對原初電子的倍增。GEM探測器的雪崩放大區通常由多層(例如三層)GEM薄膜構成。

傳統的GEM薄膜的兩側電極層是金屬銅。在例如高計數率環境下應用時，產生打火放電現象，對探測器的損壞比較明顯。此外，銅電極導致GEM探測器的物質量很大，在一些中低能物理實驗中的應用受到了較大的限制。

為了降低GEM探測器的物質量，可以用納米金屬膜如鉻膜代替銅層，但其仍為金屬電極，對打火放電的抑制能力并沒有得到提高，并且過薄的電極很容易在放電中被燒穿，在探測器有效面積內造成死區。

另一種降低GEM探測器的物質量的途徑是使用阻性聚酰亞胺系薄膜作為電極層，并且形成通孔陣列，從而在減小物質量的同時克服放電問題。但是，由于阻性聚酰亞胺系薄膜電極與聚酰亞胺系薄膜的化學性質類似，因此不能采用化學刻蝕方法形成通孔陣列，而只能使用激光打孔方式。激光打孔方式成本很高，使得這種GEM探測器難以大面積制作。

已提出了一種使用類金剛石(DLC，Diamond-like Carbon)層作為阻性電極代替銅層的GEM探測器薄膜。其制備方法是，在聚酰亞胺系薄膜上使用磁控濺射的方法鍍上DLC，然后使用激光打孔的方法直接制作成GEM放大單元。此方法使用激光打孔技術，同樣存在制作成本偏高的問題。更重要的是，激光打孔會在局部造成高溫，因此還導致兩個嚴重問題：1)由于高溫能夠促使DLC石墨化，因此會在孔邊緣處造成附近的DLC石墨化從而導致電阻率過低而失去阻性電極的作用。2)高溫能使處于空氣中的DLC和氧氣發生反應形成二氧化碳，因此某些孔邊緣鍍得較薄的DLC會完全變成二氧化碳揮發掉，導致孔周邊因沒有電極覆蓋無法加上電壓而沒有信號。因此，這種方案制作出的GEM探測器性能不穩定，增益很低，在實際應用中遇到困難，無法滿足實際探測需要。

對于制造包含DLC的性能穩定的GEM探測器薄膜的方法和無缺陷的GEM探測器薄膜，仍存在改進的需要。

發明內容

本發明提供一種用于制備阻性氣體電子倍增器薄膜的方法，所述阻性氣體電子倍增器薄膜包含依次層疊的第一類金剛石碳層、聚酰亞胺系薄膜和第二類金剛石碳層并且具有通孔陣列，其特征在于，所述方法包括：

提供基材，所述基材包含依次層疊的第一保護層、第一類金剛石碳層、聚酰亞胺系薄膜、第二類金剛石碳層和第二保護層，其中在所述第一保護層中形成有第一孔陣列并且在所述第二保護層中形成有與所述第一孔陣列相對的第二孔陣列；

通過噴砂處理，在所述第一和第二孔陣列處的第一和第二類金剛石碳層中形成貫穿的孔洞；

通過濕法刻蝕工藝，經過所述孔洞，對所述聚酰亞胺系薄膜進行刻蝕，并在所述聚酰亞胺系薄膜中形成在所述第一和第二孔陣列之間連通的通道；