近日，北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术全国重点实验室班勇课题组在欧洲核子研究中心(CERN)完成了最后一批GEM(Gas Electron Multiplier，气体电子倍增器)探测器前端电子板的接收测试。至此，北京大学牵头的中国组为CMS国际合作实验二期升级研制的多批次、共千余块GEM探测器前端电子板已完成全部生产测试，在联机测试中表现了优异的性能，部分电子板已经安装到CMS探测器上开始取数。GEM探测器模块的批量组装测试也正在北京大学实验室顺利推进。
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)是目前能量最高的质子-质子对撞机，自2009年正式对撞取数以来取得了发现希格斯粒子等重要成果，是国际高能物理实验的前沿。北京大学自上世纪末正式加入LHC实验以来，在其中大型通用实验CMS上承担了部分缪子系统的建造和升级任务。目前正在进行的CMS探测器二期升级中，端部内圈缪子探测系统采用GEM(Gas Electron Multiplier)技术，这是近年来快速发展的微结构探测器技术之一，具有高计数率、高时间和空间分辨等优异性能，适应升级后的强辐射工作环境。这也是大面积GEM技术在粒子物理实验中的首次大规模应用，在结构设计、性能优化、批量生产和质量控制等方面提出了新的挑战。
CMS-GEM二期升级项目中需研制共六百余块大面积GEM探测器。GEM探测器位于靠近对撞点、辐射最强的最内圈，由CERN、意大利、比利时、德国、韩国、印度和国内的单位四十多个科研机构共同协作完成，北京大学牵头的中国组在本项目中承担了探测器前端电子学板、FR4探测器外框架等核心部件的研发生产和部分探测器模块的组装测试任务。前端电子板在探测器读出结构、前端信号处理芯片、光电转换器间传输触发、径迹等数据信号，并为各电子学器件提供电源。由于安装空间的限制，需要设计成厚度仅1毫米、大面积、多电子学通道的8层电路板。研发中团队解决了各电子学器件合理布局、电源和屏蔽层优化、信号传输中的串扰和反射、阻抗匹配等技术难点，保证了高频信号的高质量传输;研制的电子板在CERN及美国UCLA、莱斯大学等国外合作单位的测试中表现优异，噪声小于1fC，各方面性能完全满足CMS实验要求。团队开发了自动化电子板性能测试设备并制定了严格的质控指标;还和深圳鑫诺捷公司合作，经过多批次样机的研制和工艺优化，大大提高了批量生产的良率。至2026年5月，团队完成了全部共12种型号、千余块GEM探测器前端电子板的批量生产、在深圳的质控测试和在CERN的接收测试，得到了国际合作组的高度评价。
北京大学团队研制的端部最内圈(ME0)GEM探测器前端电子板样机
团队还建设了国内首个大面积GEM探测器批量生产测试实验室，建立了GEM膜测试、模块气密性测试、高压性能测试、X射线增益测试等标准化软硬件平台，优化了组装流程和测试指标，经过国际合作组严格认证，成为CMS-GEM探测器官方生产基地之一。目前该实验室已为CMS升级组装测试了多批次共55个多种型号GEM探测器模块。按CMS升级整体规划，未来数年该实验室将继续进行GEM探测器模块的批量生产。
北京大学团队组装成功的第一个端部最内圈(ME0)
GEM探测器模块
微结构气体探测器自上世纪九十年代初发展以来，由于其高计数率、高探测效率和良好的空间和时间探测性能，以及其结构简单、设计灵活、成本可控、运行稳定的特点，广泛用于核物理与粒子物理、天体物理、等离子体物理等实验，也被用于宇宙线探测、核医学成像等应用领域。在国际合作实验中发展微结构气体探测器及其核心部件的研发和生产能力，必将进一步促进该类型探测器的研发和应用。
北京大学物理学院技术物理系班勇、王大勇、周辰、薛志华、马宏骥等老师和李哲、蒋楚翘、梁子寒、郭波涛、何宗晟、耿新月、陈嘉华、胡天骁等同学承担了该项目。国内合作单位包括中山大学、清华大学、北京航空航天大学。该项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及核物理与核技术全国重点实验室的支持。
