[论文解读] A Novel Manufacturing Process for Glass THGEMs and First Characterisation in an Optical Gaseous Argon TPC

Adam Lowe, K. Majumdar+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 36被引用 12

一句话总结

本论文提出了一种新颖的、正在申请专利的研磨加工工艺，用于使用非延性基底材料（如熔融石英和肖特BoroFlint 33）制造玻璃THGEM（G-THGEM），并采用ITO电极。该方法可实现精确、无磨损的孔洞图案化（圆形或六边形），并使G-THGEM在次级闪烁（S2）光产额方面表现更优，放电稳定性更高，且出气量更低，相较于传统的FR4 THGEM具有显著优势。

ABSTRACT

This paper details a novel, patent pending, abrasive machining manufacturing process for the formation of sub-millimetre holes in THGEMs, with the intended application in gaseous and dual-phase TPCs. Abrasive machining favours a non-ductile substrate such as glasses or ceramics. This innovative manufacturing process allows for unprecedented versatility in THGEM substrates, electrodes, and hole geometry and pattern. Consequently, THGEMs produced via abrasive machining can be tailored for specific properties, for example: high stiffness, low total thickness variation, radiopurity, moisture absorption/outgassing and/or carbonisation resistance. This paper specifically focuses on three glass substrate THGEMs (G-THGEMs) made from Schott Borofloat 33 and Fused Silica. Circular and hexagonal hole shapes are also investigated. The G-THGEM electrodes are made from Indium Tin Oxide (ITO), with a resistivity of 150 $\Omega$/Sq. All G-THGEMs were characterised in an optical (EMCCD) readout GArTPC, and compared to a traditionally manufactured FR4 THGEM, with their charging and secondary scintillation (S2) light production behaviour analysed.

研究动机与目标

• 开发一种使用非延性基底材料（如玻璃）制造THGEM的新工艺，以克服传统基于FR4的THGEM的局限性。
• 解决大型TPC中的关键问题，包括FR4基底材料的翘曲、厚度变化、孔隙率及辐射纯度问题。
• 表征不同玻璃基底（熔融石英、BoroFlint 33）、孔形几何（圆形、六边形）及ITO电极在气态氩TPC中的G-THGEM性能。
• 在相同条件下，评估G-THGEM与传统FR4 THGEM的S2光产额和充电行为。
• 评估G-THGEM在反复放电条件下的长期稳定性和抗碳化能力。

提出的方法

• 采用掩模研磨加工工艺，在1 mm厚的玻璃基底（熔融石英、BoroFlint 33）上加工出亚毫米级通孔。
• 使用物理掩模在玻璃两侧沉积150 Ω/Sq的ITO电极，以定义电极图案。
• 利用2D CAD图纸（DXF格式）精确定义孔的位置和形状，实现自定义孔形图案（圆形或六边形）。
• 通过受控的研磨工艺进行孔加工，避免钻头磨损，确保器件各处孔径一致。
• 采用基于EMCCD的读出系统在气态氩TPC中进行光学表征，测量S2光产额和充电动力学。
• 在相同条件下，对比G-THGEM与标准FR4 THGEM（500 µm孔径，800 µm节距）的性能指标（S2光产额、充电行为、放电抗性）。

实验结果

研究问题

• RQ1 研磨加工能否在玻璃基底上实现高精度、无磨损的通孔加工，确保孔形和尺寸的一致性？
• RQ2 在相同偏置条件下，G-THGEM的次级闪烁（S2）光产额与传统FR4 THGEM相比如何？
• RQ3 G-THGEM中的电阻性ITO电极是否能有效缓解放电损伤并防止碳化，相较于FR4 THGEM中的导电铜电极？
• RQ4 不同玻璃基底（熔融石英与BoroFlint 33）及孔形（圆形与六边形）如何影响S2光产额和充电动力学？
• RQ5 G-THGEM相较于FR4基THGEM在机械稳定性方面是否显著提升，且出气量是否明显降低？

主要发现

• 通过研磨加工制备的具有双锥形孔的G-THGEM在充电过程中S2光强度随时间持续增加，而传统THGEM的圆柱形孔则无此现象。
• 在相同偏置条件下，G-THGEM的S2光强度显著高于传统FR4 THGEM，其中熔融石英基G-THGEM表现出最高的光产额。
• BoroFlint 33基G-THGEM采用六边形孔形时S2光产额最低，原因在于孔径较大导致电场强度和增益降低。
• G-THGEM表现出优异的放电抗性：电阻性ITO涂层可限制电流流动，抑制电火花并防止不可逆的碳化。
• 玻璃基底（64–72 GPa弯曲模量）的刚性接近FR4（23 GPa）的三倍，显著减少下垂，提升电场均匀性。
• G-THGEM的基底厚度变化小于1.5%，远优于FR4 THGEM的典型5%，从而显著提升电场和增益的均匀性。