氣體電子倍增探測(cè)器(GEM)性能研究.pdf

1、氣體電子倍增器(Gas Electron Multiplier)是由歐洲核子研究中心(CERN)發(fā)展起來(lái)的一種新型位置靈敏氣體探測(cè)器。該探測(cè)器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如高計(jì)數(shù)率、抗輻射、質(zhì)量輕、高空間及時(shí)間分辨等，已經(jīng)在粒子物理領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用，并在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和天體物理學(xué)等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。由于GEM特殊的幾何結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布對(duì)GEM探測(cè)器的電荷傳輸和氣體放大特性有很大影響，而使用計(jì)算機(jī)對(duì)GEM的電場(chǎng)分布和探測(cè)性能進(jìn)行模擬和計(jì)算

2、可節(jié)省大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，為實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)，并進(jìn)一步促進(jìn)GEM性能的改善，已成為GEM研究的重要環(huán)節(jié)。
　　本文首先建立不同結(jié)構(gòu)的GEM二維和三維模型，利用有限元法數(shù)值求解GEM的電場(chǎng)，計(jì)算了各種不同小孔形狀(包括圓柱型、雙倒錐型、雙碗型)、不同幾何尺寸(包括小孔外徑D、內(nèi)徑d、厚度T)和電參數(shù)(GEM上下電極電壓差Vgem、漂移電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)Ed、收集電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)Ei)對(duì)GEM電場(chǎng)的影響；在此基礎(chǔ)上，利用龍格庫(kù)塔法計(jì)算電子軌跡，研究不同幾

3、何結(jié)構(gòu)和電參數(shù)對(duì)GEM電荷傳輸特性的影響；然后在電場(chǎng)和電子透過(guò)率的基礎(chǔ)上，利用湯生放電理論估算GEM的有效增益；最后采用陣列式結(jié)構(gòu)對(duì)GEM的位置分辨率進(jìn)行研究，并將本文的模擬結(jié)果和國(guó)際通用的GEM的模擬軟件GARFIELD的模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。
　　研究結(jié)果表明，就GEM電場(chǎng)分布而言，單孔模型和多孔模型求解的電場(chǎng)差別不大，可以用二維圓柱坐標(biāo)系下的模型代替三維直角坐標(biāo)系下的模型，以簡(jiǎn)化建模過(guò)程；圓柱型GEM孔中心處的場(chǎng)強(qiáng)比雙錐型和

4、雙碗型GEM大，D、T、Vgem對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響比較大，d、Ed、Ei對(duì)GEM微孔內(nèi)的電場(chǎng)影響不大。若考慮電子軌跡和電子透過(guò)率，只有三維多孔模型的電子軌跡和電子透過(guò)率才能夠全面反映GEM的實(shí)際情況。圓柱孔、雙倒錐型和雙碗型GEM的電子透過(guò)率分別為：28.2％，35.9％，35.26％；只有D、d、Ed、Vgem會(huì)對(duì)電子透過(guò)率產(chǎn)生影響，其余參數(shù)Ei、T對(duì)電子透過(guò)率幾乎沒(méi)有影響；電子透過(guò)率與(D/P)2的數(shù)值很接近，說(shuō)明幾何光學(xué)的透過(guò)率和微

5、孔附近的電場(chǎng)共同決定了GEM中的電子透過(guò)率。
　　對(duì)位置分辨率的研究表明，由靜電場(chǎng)角度分析，D、d、T、P、di、Vgem對(duì)位置分辨影響比較大，位置分辨率隨T、P、di的增大而增大，對(duì)于Vgem、D、d，情況相反，Ed、Ei對(duì)位置分辨率的影響可忽略不計(jì)；雙錐孔GEM的位置分辨率最小，分辨能力最強(qiáng)，雙碗型GEM的次之，圓柱型GEM的分辨能力最差。將三維靜電場(chǎng)下計(jì)算的位置分辨率與考慮碰撞和倍增時(shí)的位置分辨率進(jìn)行比較，對(duì)靜電場(chǎng)下的位置分