氣體電子倍增器(GEM) 結構及模擬原理

氣體電子倍增器(GEM) 結構

　　氣體電子倍增器(GEM) 器件主要由漂移電極、GEM 復合薄膜和收集電極(PCB 讀出電極) 三層組成, 由窗口和襯底密閉成一個(gè)氣體室, 由進(jìn)氣口和出氣口充入流動(dòng)的工作氣體。GEM 復合薄膜是在一層約50 um 厚的聚酰亞胺( kapton) 層的兩側涂覆有銅膜, 并蝕刻高密度的孔, 當在漂移電極、收集電極和GEM 膜兩側施加合適的電壓時(shí), 由X 射線(xiàn)產(chǎn)生的初始電子將在漂移電場(chǎng)的作用下進(jìn)入GEM 膜的微孔, GEM 膜微孔內的強電場(chǎng)使電子發(fā)生倍增放大, 倍增后的部分電子在收集電場(chǎng)的作用下到達收集電極產(chǎn)生信號并被外加電路系統讀出。

　　在模過(guò)程中對GEM 探測器結構進(jìn)行了簡(jiǎn)化, 幾何尺寸及構成示意圖如圖1(a) 所示, 其中漂移區長(cháng)度Ld= 200 um, 收集區長(cháng)度L i= 200 um, 聚酰亞胺膜厚度T= 50 um, GEM 膜上下表面銅膜厚度t= 5 um, 節距p=140 um, 外孔徑為D, 內孔徑為d。建立的GEM 結構模型及施加電壓如圖1(b) 所示, 其中漂移電極電壓為Vdr, 感應電極電壓為Vi, GEM 上極板電壓為Vu,GEM膜下極板電壓為Vd,GEM 電壓為VGEM。則可認為漂移區場(chǎng)強Ed = ( Vu - Vdr) / L d, 感應區場(chǎng)強Ei= ( Vi-Vd) / L i,GEM電壓VGEM= Vd- Vu。

圖1 氣體電子倍增器(GEM) 結構示意圖

氣體電子倍增器(GEM) 模擬原理

　　在GEM 的理論研究模型上, 絕大多數的理論研究都基于歐洲核子研究中心開(kāi)發(fā)的GARFIELD 軟件。GARFEILD 基于有限元技術(shù), 能夠處理幾乎任意電極和介質(zhì)形狀的問(wèn)題, 適合處理GEM 的復雜結構。

　　GEM 中初始電子在漂移電場(chǎng)的作用下, 向GEM微孔運動(dòng), 并在GEM 微孔間的強電場(chǎng)作用下雪崩放大, 產(chǎn)生二次電子, 倍增后的部分電子在收集電場(chǎng)作用下到達收集電極產(chǎn)生信號。因此GEM 如其它的氣體探測器一樣, 存在電子和其它各種粒子的遷移、擴散、碰撞、電離及復合等各種過(guò)程。對GEM 中的上述過(guò)程進(jìn)行模擬基于Monte Carlo 技術(shù)。MonteCarlo 技術(shù)的計算流程如圖2 所示, 首先通過(guò)以下方式初始化: 電子起始位置和漂移速度以及時(shí)間步長(cháng)。初始化完成后, 按以下方式進(jìn)行迭代:

圖2 Monte Carlo 積分法計算流程

　　1、由速度和時(shí)間步長(cháng), 計算出步長(cháng)長(cháng)度, 并假設在這過(guò)程中速度保持恒定;

　　2、計算初始位置的橫向和徑向擴散系數, 用距離步長(cháng)的平方根來(lái)限定大小, 這里同樣假設在步長(cháng)范圍內擴散系數保持恒定;

　　3、生成擴散, 根據三維不相關(guān)高斯分布由速度方向的一個(gè)徑向和兩個(gè)橫向部分構成;

　　4、根據速度和隨機擴散更新位置。

　　迭代會(huì )一直進(jìn)行下去直到以下任意條件滿(mǎn)足:

　　1、粒子到達最近的電極或其它邊界終止;

　　2、計算步數達到所允許的最大值計算截止;

　　3、粒子速度變?yōu)榱慊蛘吡Ｗ訌膸щ婋姌O離開(kāi)( 而帶電電極會(huì )將粒子吸收) 。

　　在一個(gè)漂移區間內的氣體倍增可以用公式來(lái)估計, 其中M 為倍增后的電子數, a為湯生系數, z為漂移長(cháng)度; 而這個(gè)區間內電子的吸附可以通過(guò)公式得到, 式中L 為被吸收的電子數, 為吸附系數。倍增和吸附的積分過(guò)程都是通過(guò)對漂移線(xiàn)的每一步通過(guò)Newton-Raphson 技術(shù)實(shí)現。