基于GARFIELD 的氣體電子倍增器的特性模擬

馬善樂(lè) 楊蘭蘭 屠 彥

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210096)

　　摘要：氣體電子倍增器(Gas Electron Multiplier)是由歐洲核子研究中心(CERN)的FabioSauli 教授等于20 世紀(jì)90 年代發(fā)展起來(lái)的一種新型的位置靈敏氣體探測(cè)器。該探測(cè)器具有高計(jì)數(shù)率、抗輻射、高位置分辨率和時(shí)間分辨率等優(yōu)點(diǎn)，已在粒子物理領(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)等其他領(lǐng)域也表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

　　由于氣體電子倍增器(GEM)特殊的幾何結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布對(duì)其電荷傳輸和氣體放大等特性有很大影響，使得使用計(jì)算機(jī)對(duì)GEM 探測(cè)器的電場(chǎng)特性和探測(cè)性能進(jìn)行模擬計(jì)算可以節(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)，并促進(jìn)GEM 性能的改善。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)GEM 進(jìn)行模擬已成為GEM研究的重要環(huán)節(jié)。GEM 探測(cè)器主要由漂移電極、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。工作氣體通常為惰性氣體和猝滅氣體的混合物。GEM 膜由絕緣薄膜和上下電極組成，并利用光刻技術(shù)制作出分布均勻的微孔，類似三明治結(jié)構(gòu)。GARFIELD 是由歐洲核子中心(CERN)開發(fā)，是模擬各種氣體探測(cè)器在不同條件和結(jié)構(gòu)下特性的強(qiáng)大工具。

　　本文首先通過(guò)有限元方法建立了簡(jiǎn)化的GEM 探測(cè)器的結(jié)構(gòu)模型，得到GEM 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格信息與電場(chǎng)信息，并將所建立的模型導(dǎo)入GARFIELD，在GARFIELD 中讀出GEM 探測(cè)器的靜電場(chǎng)特性，如各個(gè)位置的電場(chǎng)、電位信息及網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息。GARFIELD 中導(dǎo)入工作氣體后，模擬了不考慮碰撞和雪崩時(shí)電子漂移線和考慮碰撞和雪崩時(shí)電子的雪崩過(guò)程，并由此算出所模擬的GEM 探測(cè)器的實(shí)際增益和有效增益。并通過(guò)分析大量電子雪崩后，在收集電極上電子終止點(diǎn)的分布，對(duì)GEM 的位置分辨率進(jìn)行探討分析。