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氣體室, 由進氣口和出氣口充入流動的工作氣體。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, 由X 射線產(chǎn)生的初始電子將在漂移電場的作用下進入GEM 膜的微孔, GEM 膜微孔內(nèi)的強電場使電子發(fā)生倍增放大, 倍增后的部分電子在收集電場的作用下到達收集電極產(chǎn)生信號并被外加電路系統(tǒng)讀出。

　　在模過程中對GEM 探測器結(jié)構(gòu)進行了簡化, 幾何尺寸及構(gòu)成示意圖如圖1(a) 所示, 其中漂移區(qū)長度Ld= 200 um, 收集區(qū)長度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)場強Ed = ( Vu - Vdr) / L d, 感應(yīng)區(qū)場強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的作用下, 向GEM微孔運動, 并在GEM 微孔間的強電場作用下雪崩放大, 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(fù)合等各種過程。對GEM 中的上述過程進行模擬基于Monte Carlo 技術(shù)。MonteCarlo 技術(shù)的計算流程如圖2 所示, 首先通過以下方式初始化: 電子起始位置和漂移速度以及時間步長。初始化完成后, 按以下方式進行迭代:

圖2 Monte Carlo 積分法計算流程

　　1、由速度和時間步長, 計算出步長長度, 并假設(shè)在這過程中速度保持恒定;

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

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

　　4、根據(jù)速度和隨機擴散更新位置。

　　迭代會一直進行下去直到以下任意條件滿足:

　　1、粒子到達最近的電極或其它邊界終止;

　　2、計算步數(shù)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( 而帶電電極會將粒子吸收) 。

　　在一個漂移區(qū)間內(nèi)的氣體倍增可以用公式來估計, 其中M 為倍增后的電子數(shù), a為湯生系數(shù), z為漂移長度; 而這個區(qū)間內(nèi)電子的吸附可以通過公式得到, 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程都是通過對漂移線的每一步通過Newton-Raphson 技術(shù)實現(xiàn)。