氣體電子倍增探測器(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)展起來的一種新型位置靈敏氣體探測器。該探測器具有一系列優(yōu)點，如高計數(shù)率、抗輻射、質(zhì)量輕、高空間及時間分辨等，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)和電場分布對GEM探測器的電荷傳輸和氣體放大特性有很大影響，而使用計算機(jī)對GEM的電場分布和探測性能進(jìn)行模擬和計算

2、可節(jié)省大量的時間和經(jīng)費，為實驗提供理論依據(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，計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、漂移電場場強(qiáng)Ed、收集電場場強(qiáng)Ei)對GEM電場的影響；在此基礎(chǔ)上，利用龍格庫塔法計算電子軌跡，研究不同幾

3、何結(jié)構(gòu)和電參數(shù)對GEM電荷傳輸特性的影響；然后在電場和電子透過率的基礎(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GEM的位置分辨率進(jìn)行研究，并將本文的模擬結(jié)果和國際通用的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電場分布而言，單孔模型和多孔模型求解的電場差別不大，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，以簡化建模過程；圓柱型GEM孔中心處的場強(qiáng)比雙錐型和

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

5、孔附近的電場共同決定了GEM中的電子透過率。
　　對位置分辨率的研究表明，由靜電場角度分析，D、d、T、P、di、Vgem對位置分辨影響比較大，位置分辨率隨T、P、di的增大而增大，對于Vgem、D、d，情況相反，Ed、Ei對位置分辨率的影響可忽略不計；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。將三維靜電場下計算的位置分辨率與考慮碰撞和倍增時的位置分辨率進(jìn)行比較，對靜電場下的位置分