氣體電子倍增器(GEM) 結(jié)構(gòu)

　　氣體電子倍增器(GEM) 器件主要由漂移電極、GEM 復(fù)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(fù)合薄膜是在一層約50 um 厚的聚酰亞胺( kapton) 層的兩側(cè)涂覆有銅膜, 并蝕刻高密度的孔, 當(dāng)在漂移電極、收集電極和GEM 膜兩側(cè)施加合適的電壓時(shí), 由X 射線產(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(nèi)的強(qiáng)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(dá)收集電極產(chǎn)生信號(hào)并被外加電路系統(tǒng)讀出。

　　在模過(guò)程中對(duì)GEM 探測(cè)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化, 幾何尺寸及構(gòu)成示意圖如圖1(a) 所示, 其中漂移區(qū)長(zhǎng)度Ld= 200 um, 收集區(qū)長(zhǎng)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(jié)距p=140 um, 外孔徑為D, 內(nèi)孔徑為d。建立的GEM 結(jié)構(gòu)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(yīng)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(rèn)為漂移區(qū)場(chǎng)強(qiáng)Ed = ( Vu - Vdr) / L d, 感應(yīng)區(qū)場(chǎng)強(qiáng)Ei= ( Vi-Vd) / L i,GEM電壓VGEM= Vd- Vu。

圖1 氣體電子倍增器(GEM) 結(jié)構(gòu)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(shù)的理論研究都基于歐洲核子研究中心開發(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(fù)雜結(jié)構(gòu)。

　　GEM 中初始電子在漂移電場(chǎng)的作用下, 向GEM微孔運(yùn)動(dòng), 并在GEM 微孔間的強(qiáng)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(dá)收集電極產(chǎn)生信號(hào)。因此GEM 如其它的氣體探測(cè)器一樣, 存在電子和其它各種粒子的遷移、擴(kuò)散、碰撞、電離及復(fù)合等各種過(guò)程。對(duì)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(jì)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(zhǎng)。初始化完成后, 按以下方式進(jìn)行迭代:

圖2 Monte Carlo 積分法計(jì)算流程

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

　　2、計(jì)算初始位置的橫向和徑向擴(kuò)散系數(shù), 用距離步長(zhǎng)的平方根來(lái)限定大小, 這里同樣假設(shè)在步長(zhǎng)范圍內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)保持恒定;

　　3、生成擴(kuò)散, 根據(jù)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(gòu)成;

　　4、根據(jù)速度和隨機(jī)擴(kuò)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足:

　　1、粒子到達(dá)最近的電極或其它邊界終止;

　　2、計(jì)算步數(shù)達(dá)到所允許的最大值計(jì)算截止;

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

　　在一個(gè)漂移區(qū)間內(nèi)的氣體倍增可以用公式來(lái)估計(jì), 其中M 為倍增后的電子數(shù), a為湯生系數(shù), z為漂移長(zhǎng)度; 而這個(gè)區(qū)間內(nèi)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(shù), 為吸附系數(shù)。倍增和吸附的積分過(guò)程都是通過(guò)對(duì)漂移線的每一步通過(guò)Newton-Raphson 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。