基于GARFIELD 的氣體電子倍增器的特性模擬

馬善樂 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90 年代發(fā)展起來的一種新型的位置靈敏氣體探測器。該探測器具有高計數(shù)率、抗輻射、高位置分辨率和時間分辨率等優(yōu)點，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)和電場分布對其電荷傳輸和氣體放大等特性有很大影響，使得使用計算機對GEM 探測器的電場特性和探測性能進行模擬計算可以節(jié)省大量的時間和經(jīng)費，為實驗提供理論依據(jù)，并促進GEM 性能的改善。通過計算機對GEM 進行模擬已成為GEM研究的重要環(huán)節(jié)。GEM 探測器主要由漂移電極、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氣體室，由進氣口和出氣口充入流動的工作氣體。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器在不同條件和結(jié)構(gòu)下特性的強大工具。

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