Micromegas物理模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、Micromegas(MICRO MEsh GAseous Structure)是上世紀(jì)末九十年代中期在法國Saclay發(fā)展的一種氣體探測器。Micromegas是一種平行板電極結(jié)構(gòu)的氣體探測器。由漂移區(qū)和放大區(qū)以及讀出電極三部分組成，用絲網(wǎng)把漂移區(qū)和放大區(qū)隔開，漂移區(qū)一般為3～10mm，放大區(qū)為100μm量級(jí)。很高計(jì)數(shù)率能力(～108mm-2·s-1)，良好的空間分辨能力以及很好的抗輻照性能，使Micromegas在高亮度X射線探測和

2、成像方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。且結(jié)構(gòu)簡單，易于加工成大面積，易于工業(yè)生產(chǎn)，造價(jià)低廉。被廣泛應(yīng)用于粒子物理實(shí)驗(yàn)，比如粒子徑跡追蹤、時(shí)間投影室(TPC)、中子或X射線成像等。 該論文圍繞新型氣體探測器Micromegas的基本性能研究，從兩個(gè)方面展開詳細(xì)的分析和研究：三維物理模擬和實(shí)驗(yàn)研制測試。 我們采用Maxwell3D電場計(jì)算軟件與Garfield模擬軟件相結(jié)合，對Micromegas物理性能進(jìn)行模擬研究，主要做了以下幾方面工

3、作：在Maxwell三維模型模擬研究中，首次采用圓柱形模擬編織絲網(wǎng)的金屬線，該模型更接近金屬網(wǎng)絲，使模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)更加符合。研究了氣體漂移速度，擴(kuò)散系數(shù)和湯生系數(shù)等氣體參數(shù)。在Argon90％+Isobutane10％的混合氣體中，漂移極電壓為-510V，雪崩極電壓為-490V，僅考慮擴(kuò)散系數(shù)影響的空間分辨δ為180μm。雪崩區(qū)電場線基本終止在雪崩極絲網(wǎng)上，雪崩產(chǎn)生的大量正離子沿電場線漂移到雪崩極絲網(wǎng)，被絲網(wǎng)吸收，所以Micromega

4、s有較高的計(jì)數(shù)能力。原初電子透過率的模擬主要研究了雪崩區(qū)與漂移區(qū)電場比對電子透過率的影響。對絲徑為20μm-30μm絲網(wǎng)，雪崩區(qū)與漂移區(qū)電場比大于200時(shí)，電子透過率進(jìn)入坪區(qū)。通過對50×50μ㎡和60×60μ㎡單元絲網(wǎng)正方體模型不同絲徑參數(shù)結(jié)構(gòu)對比發(fā)現(xiàn)：絲網(wǎng)的絲徑越小，電子透過率越大。增益的MC模擬結(jié)果得到，在氣隙間隔為60～80μm左右時(shí)增益會(huì)達(dá)到極大值，所以Micromegas雪崩區(qū)間隙一般選取50～100μm，在此范圍的間隙均勻

5、性誤差對增益并不會(huì)有大的影響。此外，還模擬研究了感應(yīng)信號(hào)，感應(yīng)電流信號(hào)的大小主要由原初電子在漂移區(qū)漂移和在雪崩區(qū)的雪崩放大決定。通過簡單電荷靈敏放大器的Pspice信號(hào)模擬處理得到與實(shí)驗(yàn)示波器觀測基本一致的結(jié)果。通過模擬研究深入理解了Micromegas的工作原理，對實(shí)驗(yàn)中氣體成份的選擇，雪崩極絲網(wǎng)參數(shù)，具體結(jié)構(gòu)的選擇提供了有益的參考。 我們在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完整總結(jié)了魚線隔開雪崩區(qū)小尺寸Micromegas的制作工藝，使用5

6、00目斜紋絲網(wǎng)作為探測器雪崩極，采用絲徑為120μm魚線作為雪崩區(qū)間距隔開。為提高粒子的探測效率，采用350目平紋絲網(wǎng)作為Micromegas漂移極。實(shí)驗(yàn)集中研究了增益均勻性、電子透過率、氣體增益和能量分辨率等性能。在實(shí)驗(yàn)中固定雪崩極電壓，通過改變漂移極的電壓，測試了原初電子透過率，與三維的模擬結(jié)果一致。通過兩組不同雪崩極電壓實(shí)驗(yàn)的比較，發(fā)現(xiàn)電子透過率的改變與雪崩極所加電壓無關(guān)，主要的影響因素是雪崩區(qū)與漂移區(qū)的電場比。測量了不同氣體成分

7、中全能峰峰位隨不同電場比的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Isobutane比例減少時(shí)，隨著電場比的增加，混合氣體對原初電子復(fù)合效應(yīng)的影響逐漸減少。通過不同混合氣體增益的測量，詳細(xì)研究了在氣體探測器中的彭寧效應(yīng)，模擬計(jì)算了不同混合氣體成分彭寧效應(yīng)的準(zhǔn)確百分比。通過對不同氣體成分下漂移極高壓變化時(shí)能量分辨率的測試，發(fā)現(xiàn)在增益最大時(shí)，由于漂移區(qū)的電場較低，復(fù)合效應(yīng)引起的原初電子數(shù)目統(tǒng)計(jì)漲落，能量分辨率并不是最佳。當(dāng)Isobutane比例減少時(shí)，隨著電場比的增加

8、，漂移區(qū)電場強(qiáng)度較低，電子復(fù)合效應(yīng)影響減少，最佳能量分辨率的雪崩區(qū)與漂移區(qū)電場比的坪區(qū)范圍增大，同時(shí)也改善了最大增益時(shí)的能量分辨率。初步測試了熱壓膜作為雪崩區(qū)間距工藝的Micromegas性能，對5.9keV X射線全能峰的能量分辨率達(dá)到22％，這是一種有研究價(jià)值的新工藝。 目前有待進(jìn)一步研究的主要問題是雪崩區(qū)均勻性改善，Bulk Micromegas制作工藝研究，為以后X射線成像實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。爭取早日做出有實(shí)用價(jià)值的Microm