基于GARFIELD 的气体电子倍增器的特性模拟

2013-01-21 马善乐 东南大学电子科学与工程学院

基于GARFIELD 的气体电子倍增器的特性模拟

马善乐 杨兰兰 屠 彦

(东南大学电子科学与工程学院 南京 210096)

　　摘要：气体电子倍增器(Gas Electron Multiplier)是由欧洲核子研究中心(CERN)的FabioSauli 教授等于20 世纪90 年代发展起来的一种新型的位置灵敏气体探测器。该探测器具有高计数率、抗辐射、高位置分辨率和时间分辨率等优点，已在粒子物理领域获得了重要应用，并在生物医学、材料科学和天体物理学等其他领域也表现出广泛的应用前景。

　　由于气体电子倍增器(GEM)特殊的几何结构和电场分布对其电荷传输和气体放大等特性有很大影响，使得使用计算机对GEM 探测器的电场特性和探测性能进行模拟计算可以节省大量的时间和经费，为实验提供理论依据，并促进GEM 性能的改善。通过计算机对GEM 进行模拟已成为GEM研究的重要环节。GEM 探测器主要由漂移电极、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。工作气体通常为惰性气体和猝灭气体的混合物。GEM 膜由绝缘薄膜和上下电极组成，并利用光刻技术制作出分布均匀的微孔，类似三明治结构。GARFIELD 是由欧洲核子中心(CERN)开发，是模拟各种气体探测器在不同条件和结构下特性的强大工具。

　　本文首先通过有限元方法建立了简化的GEM 探测器的结构模型，得到GEM 结构的网格信息与电场信息，并将所建立的模型导入GARFIELD，在GARFIELD 中读出GEM 探测器的静电场特性，如各个位置的电场、电位信息及网格节点信息。GARFIELD 中导入工作气体后，模拟了不考虑碰撞和雪崩时电子漂移线和考虑碰撞和雪崩时电子的雪崩过程，并由此算出所模拟的GEM 探测器的实际增益和有效增益。并通过分析大量电子雪崩后，在收集电极上电子终止点的分布，对GEM 的位置分辨率进行探讨分析。