自1997年问世以来,气体电子倍增器(Gas Electron Multiplier,GEM)迅速发展成为一种主流的微结构气体探测器(MPGD)。GEM探测器的核心部件(GEM薄膜)是两面镀铜的聚酰亚胺薄膜(Kapton),该GEM薄膜经化学刻蚀后具有一系列等间距的微孔,孔径50μm～80μm,孔间距140μm左右。当薄膜上下两侧的铜面上加上一定的电压时,孔内会形成强电场(>50kV/cm),使得电子在孔内能够发生雪崩放大。由于单层GEM膜的放大倍数有限,一般通过多层GEM膜级联的方式获取很高的增益(可达106)。GEM探测器具有高计数率、高增益、高空间分辨、较好的能量分辨等优点,同时它容易加工成各种形状,价格低廉,可在强磁场中使用,因而非常适合高计数率环境下的带电径迹的探测与触发以及辐射成像。在GEM探测器的发展初期,由于·薄膜制作工艺(双掩膜,Double-Mask)的限制,只能生产较小面积的GEM薄膜,无法实现GEM探测器的大规模使用。因此,GEM探测器的大型化是其大规模应用的一个关键影响因素。2010年出现的单掩膜工艺(Single-Mask)使得大面积GEM探测器的制作成为可能,使用该工艺已经可以生产尺寸达到200cm×60cm的GEM薄膜,有力地推动了GEM探测器在大型核与粒子物理实验中的应用。目前大面积GEM探测器已经在多项国际大型核与粒子物理实验中得到大规模应用,如CMS、SBS、SoLID等,主要用于径迹探测或触发。随着大面积GEM薄膜生产的成功,大面积GEM探测器制作技术的研究已成为其研发的一个重要方向。鉴于GEM探测器广阔的应用前景,多年以来,国内很多大学和研究所都在积极开展对GEM探测器的研发工作,但在大面积GEM探测器的制作上面开展的工作不多,未有相关的研究成果出现。目前,传统的大面积GEM探测器的制作技术是粘胶法,其问世最早,但存在耗时长、不可拆卸、有效区内有死区等问题。而新出现的自张紧技术(Self-Stretching)是·种纯机械技术,在大面积GEM探测器制作上优势明显,具有安装快捷、有效区内无死区、可拆卸等优点。本论文计划利用自张紧技术研制大面积GEM探测器,且在此基础上研发出一种新型的制作技术用于·超大面积(米量级)GEM探测器制作,并对探测器的性能及应用开展研究工作。主要研究内容和成果如下:通过对自张紧技术的研究,在系统理解了大面积GEM探测器的设计、制作方法的基础上,优化了该技术使用的部件及材料,制作出有效面积30cm×30cm的高性能GEM探测器原型。在工作电压4kV时,测得其能量分辨率为19.6%,均匀性为5.3%,增益约为104,增益均匀性为19%,位置分辨精度为70μm左右,稳定性良好,计数率可达125kHz/mm2。通过对大面积GEM探测器制作技术的进一步升级改进,发展了一种新型的滑动式自张紧技术(SlidingSelf-Stretching),用于米量级以上尺寸GEM探测器的制作。该新型工艺能够保证探测器整体受力均匀且张力合适,已成功申请国家发明专利。利用该技术,我们制作出了有效面积100cm×50cm的GEM探测器,其测试性能良好。基于APV25芯片,建立了用于大面积GEM探测器信号读出的多通道高密度电子学系统,顺利开展了探测器位置分辨等性能的研究。基于该读出系统,开展GEM探测器高位置分辨宇宙线测试平台的应用研究。由于大面积GEM薄膜无法及时供应,已使用多个10cm×10cm有效面积的GEM探测器对这一测试平台进行原理和技术验证,成功建立了用于高精度位置分辨测量的宇宙线测试系统。此外,使用该探测器搭建了可以进行清晰成像的光学读出系统,测试结果检验了该平台的可行性,扩展了大面积GEM探测器的应用范围。通过本论文的研究,深入掌握了高性能大面积GEM探测器的制作技术,并对该探测器的应川进行了探索。开发了新型的滑动式自张紧工艺,成功制作出了米量级的大面积GEM探测器,对于大面积GEM探测器在大型物理实验及相关领域的应用有重要的意义。搭建了适用于大面积GEM探测器的多通道高密度读出电子学系统,对采用该技术的高位置分辨测试平台进行了原理和技术验证,为大面积GEM探测器的末来发展建立了基础。