Micromegas物理模擬與實驗研究.pdf

1、Micromegas(MICRO MEsh GAseous Structure)是上世紀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構的氣體探測器。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。很高計數(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、成像方面具有獨特的優(yōu)勢。且結構簡單，易于加工成大面積，易于工業(yè)生產(chǎn)，造價低廉。被廣泛應用于粒子物理實驗，比如粒子徑跡追蹤、時間投影室(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，從兩個方面展開詳細的分析和研究：三維物理模擬和實驗研制測試。 我們采用Maxwell3D電場計算軟件與Garfield模擬軟件相結合，對Micromegas物理性能進行模擬研究，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，使模擬結果與實驗更加符合。研究了氣體漂移速度，擴散系數(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，電子透過率進入坪區(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)結構對比發(fā)現(xiàn)：絲網(wǎng)的絲徑越小，電子透過率越大。增益的MC模擬結果得到，在氣隙間隔為60～80μm左右時增益會達到極大值，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有大的影響。此外，還模擬研究了感應信號，感應電流信號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信號模擬處理得到與實驗示波器觀測基本一致的結果。通過模擬研究深入理解了Micromegas的工作原理，對實驗中氣體成份的選擇，雪崩極絲網(wǎng)參數(shù)，具體結構的選擇提供了有益的參考。 我們在前期實驗的基礎上，完整總結了魚線隔開雪崩區(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。實驗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。在實驗中固定雪崩極電壓，通過改變漂移極的電壓，測試了原初電子透過率，與三維的模擬結果一致。通過兩組不同雪崩極電壓實驗的比較，發(fā)現(xiàn)電子透過率的改變與雪崩極所加電壓無關，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Isobutane比例減少時，隨著電場比的增加，混合氣體對原初電子復合效應的影響逐漸減少。通過不同混合氣體增益的測量，詳細研究了在氣體探測器中的彭寧效應，模擬計算了不同混合氣體成分彭寧效應的準確百分比。通過對不同氣體成分下漂移極高壓變化時能量分辨率的測試，發(fā)現(xiàn)在增益最大時，由于漂移區(qū)的電場較低，復合效應引起的原初電子數(shù)目統(tǒng)計漲落，能量分辨率并不是最佳。當Isobutane比例減少時，隨著電場比的增加

8、，漂移區(qū)電場強度較低，電子復合效應影響減少，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，同時也改善了最大增益時的能量分辨率。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到22％，這是一種有研究價值的新工藝。 目前有待進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射線成像實驗做準備。爭取早日做出有實用價值的Microm