氣體電子倍增器氖氙惰性氣體增益特性的模擬研究
采用粒子- 蒙特卡羅模型對氣體電子倍增器工作在輕惰性氣體Ne 和重惰性氣體Xe 中的倍增過(guò)程和增益特性進(jìn)行了比較研究。研究結果表明, 輕惰性氣體Ne 較重惰性氣體Xe 具有更高的時(shí)間分辨率, 更高的有效探測效率。但在1 個(gè)大氣壓的工作條件下輕惰性氣體Ne 較易放電使得工作電壓降低, 從而能達到的最大增益較Xe 低, 更高氣壓下的工作機理還需進(jìn)一步的研究。
氣體電子倍增器(Gas electron multiplier, GEM) 作為一種新型的氣體探測器件, 由于具有可滿(mǎn)足高光度條件下的高計數率和高分辨率要求, 制作簡(jiǎn)單、適合大面積探測的需要、讀出方式靈活等優(yōu)點(diǎn), 在粒子物理、天體物理和輻射成像等領(lǐng)域展現出廣闊的應用前景。GEM 器件的結構決定倍增主要發(fā)生在GEM 膜微孔形成的雙極強電場(chǎng)內, 即電子雪崩被限制在幾十微米的微孔內, 離子反饋和光子的二次電子效應都得到抑制, 因此GEM 中可利用純惰性氣體在較低的工作電壓下獲得穩定的更大增益。由于純惰性氣體比較穩定, 不會(huì )產(chǎn)生活性分子從而可防止老化, 可將器件密封起來(lái)長(cháng)時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn), 所以近年來(lái)在太陽(yáng)中微子和暗物質(zhì)檢測中得到了廣泛應用。
本文基于粒子-蒙特卡羅(PIC-MCC) 模型對GEM 中輕惰性氣體Ne 和重惰性氣體Xe 的特性進(jìn)行研究, 探討它們的雪崩和增益特性的不同, 為GEM 工作在純惰性氣體條件下的結構和工作參數的優(yōu)化提供理論指導。
GEM結構及工作原理
GEM 器件主要由漂移電極、GEM 復合薄膜和收集電極組成。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, 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。
在模擬過(guò)程中考慮到PIC-MCC 模型耗時(shí)較長(cháng),對GEM 探測器結構進(jìn)行了簡(jiǎn)化, 簡(jiǎn)化的結構如圖1所示。微孔為圓柱形, 直徑80 um; 截取一個(gè)微孔單元以及周邊寬30 um 的Kapton 膜( 即微孔間距為140 um) , 連同GEM 微孔上方的漂移區和下方的收集區構成一個(gè)模擬單元; 銅膜厚度僅為5 um, 忽略銅膜的厚度, 保留銅膜的屬性。在上下銅膜上施加電壓Vgem, 漂移電極上施加電壓Vd, 設有初始電流I emit= 1.28 × 10- 6 A 從漂移電極上發(fā)射( 由8000 個(gè)初始電子產(chǎn)生) , 發(fā)射脈沖寬度為1 ns。收集電極上施加電壓Vi, 收集在GEM 微孔中倍增放大的粒子。
由于在漂移區和收集區的大部分區域里均為均勻的電場(chǎng), 而粒子模擬耗時(shí)較長(cháng), 因此模擬時(shí)采用漂移區高度hd= 400 um , 收集區高度hi= 400 um, Kapton膜的厚度為hg= 50 um。設置GEM 漂移區電場(chǎng)Ed= 2 kV/ cm, 收集區電場(chǎng)E i= 4 kV/ cm。
圖1 GEM 的二維模擬結構示意圖
對本小組已有的基于二維PIC-MCC 模型的PDP(Plasma Display Panel) 粒子模擬軟件進(jìn)行改進(jìn), 使其適合GEM 的模擬。嘗試從跟蹤粒子運動(dòng)和用MCC方法模擬粒子間的碰撞來(lái)模擬GEM 中的電子的倍增放大過(guò)程, 并分析不同的惰性氣體條件下GEM 的增益和各邊界層上收集到的電荷情況。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為模擬時(shí)選擇時(shí)間步長(cháng)為5 × 10- 14 s, 空間步長(cháng)為10 um。
本文采用PIC-MCC 模型對工作氣體分別為輕惰性氣體Ne 和重惰性氣體Xe 時(shí)GEM 的特性進(jìn)行了研究, 比較了它們的倍增過(guò)程、增益特性、有效效率和各邊界對電子收集情況的不同。研究結果表明由于Ne 的碰撞截面小, Ne 中的電子能量高, 速度快, 可以較快地到達收集電極, 從而有效效率可達60% 以上, 而Xe 的有效效率僅在30% ~ 40% 間。在1.013 × 105Pa 下, 為預防放電對GEM 器件的損害,工作氣體為Ne 的GEM 的工作電壓低, Ne 可達到的增益也較低。但由于模型未考慮高氣壓下Ne 中的逐次電離效應, 使得Ne 的最大增益值隨氣壓的變化趨勢與實(shí)驗結果有偏差, 在后面的工作中要對模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。由于純惰性氣體比較穩定, 不會(huì )產(chǎn)生活性分子從而可防止老化, 可將器件密封起來(lái)長(cháng)時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn), 所以針對GEM 采用惰性工作氣體, 工作參數和結構參數如何選擇可有效地防止放電達到最大增益是一個(gè)有非常有意義的課題。
