气体电子倍增器(GEM) 结构及模拟原理

气体电子倍增器(GEM) 结构

　　气体电子倍增器(GEM) 器件主要由漂移电极、GEM 复合薄膜和收集电极(PCB 读出电极) 三层组成, 由窗口和衬底密闭成一个气体室, 由进气口和出气口充入流动的工作气体。GEM 复合薄膜是在一层约50 um 厚的聚酰亚胺( kapton) 层的两侧涂覆有铜膜, 并蚀刻高密度的孔, 当在漂移电极、收集电极和GEM 膜两侧施加合适的电压时, 由X 射线产生的初始电子将在漂移电场的作用下进入GEM 膜的微孔, GEM 膜微孔内的强电场使电子发生倍增放大, 倍增后的部分电子在收集电场的作用下到达收集电极产生信号并被外加电路系统读出。

　　在模过程中对GEM 探测器结构进行了简化, 几何尺寸及构成示意图如图1(a) 所示, 其中漂移区长度Ld= 200 um, 收集区长度L i= 200 um, 聚酰亚胺膜厚度T= 50 um, GEM 膜上下表面铜膜厚度t= 5 um, 节距p=140 um, 外孔径为D, 内孔径为d。建立的GEM 结构模型及施加电压如图1(b) 所示, 其中漂移电极电压为Vdr, 感应电极电压为Vi, GEM 上极板电压为Vu,GEM膜下极板电压为Vd,GEM 电压为VGEM。则可认为漂移区场强Ed = ( Vu - Vdr) / L d, 感应区场强Ei= ( Vi-Vd) / L i,GEM电压VGEM= Vd- Vu。

图1 气体电子倍增器(GEM) 结构示意图

气体电子倍增器(GEM) 模拟原理

　　在GEM 的理论研究模型上, 绝大多数的理论研究都基于欧洲核子研究中心开发的GARFIELD 软件。GARFEILD 基于有限元技术, 能够处理几乎任意电极和介质形状的问题, 适合处理GEM 的复杂结构。

　　GEM 中初始电子在漂移电场的作用下, 向GEM微孔运动, 并在GEM 微孔间的强电场作用下雪崩放大, 产生二次电子, 倍增后的部分电子在收集电场作用下到达收集电极产生信号。因此GEM 如其它的气体探测器一样, 存在电子和其它各种粒子的迁移、扩散、碰撞、电离及复合等各种过程。对GEM 中的上述过程进行模拟基于Monte Carlo 技术。MonteCarlo 技术的计算流程如图2 所示, 首先通过以下方式初始化: 电子起始位置和漂移速度以及时间步长。初始化完成后, 按以下方式进行迭代:

图2 Monte Carlo 积分法计算流程

　　1、由速度和时间步长, 计算出步长长度, 并假设在这过程中速度保持恒定;

　　2、计算初始位置的横向和径向扩散系数, 用距离步长的平方根来限定大小, 这里同样假设在步长范围内扩散系数保持恒定;

　　3、生成扩散, 根据三维不相关高斯分布由速度方向的一个径向和两个横向部分构成;

　　4、根据速度和随机扩散更新位置。

　　迭代会一直进行下去直到以下任意条件满足:

　　1、粒子到达最近的电极或其它边界终止;

　　2、计算步数达到所允许的最大值计算截止;

　　3、粒子速度变为零或者粒子从带电电极离开( 而带电电极会将粒子吸收) 。

　　在一个漂移区间内的气体倍增可以用公式来估计, 其中M 为倍增后的电子数, a为汤生系数, z为漂移长度; 而这个区间内电子的吸附可以通过公式得到, 式中L 为被吸收的电子数, 为吸附系数。倍增和吸附的积分过程都是通过对漂移线的每一步通过Newton-Raphson 技术实现。