采用粒子- 蒙特卡羅模型對(duì)氣體電子倍增器工作在輕惰性氣體Ne 和重惰性氣體Xe 中的倍增過程和增益特性進(jìn)行了比較研究。研究結(jié)果表明, 輕惰性氣體Ne 較重惰性氣體Xe 具有更高的時(shí)間分辨率, 更高的有效探測(cè)效率。但在1 個(gè)大氣壓的工作條件下輕惰性氣體Ne 較易放電使得工作電壓降低, 從而能達(dá)到的最大增益較Xe 低, 更高氣壓下的工作機(jī)理還需進(jìn)一步的研究。

　　氣體電子倍增器(Gas electron multiplier, GEM) 作為一種新型的氣體探測(cè)器件, 由于具有可滿足高光度條件下的高計(jì)數(shù)率和高分辨率要求, 制作簡(jiǎn)單、適合大面積探測(cè)的需要、讀出方式靈活等優(yōu)點(diǎn), 在粒子物理、天體物理和輻射成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。GEM 器件的結(jié)構(gòu)決定倍增主要發(fā)生在GEM 膜微孔形成的雙極強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi), 即電子雪崩被限制在幾十微米的微孔內(nèi), 離子反饋和光子的二次電子效應(yīng)都得到抑制, 因此GEM 中可利用純惰性氣體在較低的工作電壓下獲得穩(wěn)定的更大增益。由于純惰性氣體比較穩(wěn)定, 不會(huì)產(chǎn)生活性分子從而可防止老化, 可將器件密封起來長(zhǎng)時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn), 所以近年來在太陽中微子和暗物質(zhì)檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。

　　本文基于粒子-蒙特卡羅(PIC-MCC) 模型對(duì)GEM 中輕惰性氣體Ne 和重惰性氣體Xe 的特性進(jìn)行研究, 探討它們的雪崩和增益特性的不同, 為GEM 工作在純惰性氣體條件下的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

GEM結(jié)構(gòu)及工作原理

　　GEM 器件主要由漂移電極、GEM 復(fù)合薄膜和收集電極組成。GEM 復(fù)合薄膜是在一層約50 um 厚的聚酰亞胺( kapton) 層的兩側(cè)涂覆有銅膜, 并蝕刻高密度的孔, 當(dāng)在漂移電極、收集電極和GEM 膜兩側(cè)施加合適的電壓, 由X 射線產(chǎn)生的初始電子將在漂移電場(chǎng)的作用下進(jìn)入GEM 膜的微孔, GEM 膜微孔內(nèi)的強(qiáng)電場(chǎng)使電子發(fā)生倍增放大, 倍增后的部分電子在收集電場(chǎng)的作用下到達(dá)收集電極產(chǎn)生信號(hào)并被外加電路系統(tǒng)讀出。

　　在模擬過程中考慮到PIC-MCC 模型耗時(shí)較長(zhǎng),對(duì)GEM 探測(cè)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化, 簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)如圖1所示。微孔為圓柱形, 直徑80 um; 截取一個(gè)微孔單元以及周邊寬30 um 的Kapton 膜( 即微孔間距為140 um) , 連同GEM 微孔上方的漂移區(qū)和下方的收集區(qū)構(gòu)成一個(gè)模擬單元; 銅膜厚度僅為5 um, 忽略銅膜的厚度, 保留銅膜的屬性。在上下銅膜上施加電壓Vgem, 漂移電極上施加電壓Vd, 設(shè)有初始電流I emit= 1.28 × 10^{- 6} A 從漂移電極上發(fā)射( 由8000 個(gè)初始電子產(chǎn)生) , 發(fā)射脈沖寬度為1 ns。收集電極上施加電壓Vi, 收集在GEM 微孔中倍增放大的粒子。

　　由于在漂移區(qū)和收集區(qū)的大部分區(qū)域里均為均勻的電場(chǎng), 而粒子模擬耗時(shí)較長(zhǎng), 因此模擬時(shí)采用漂移區(qū)高度hd= 400 um , 收集區(qū)高度hi= 400 um, Kapton膜的厚度為hg= 50 um。設(shè)置GEM 漂移區(qū)電場(chǎng)Ed= 2 kV/ cm, 收集區(qū)電場(chǎng)E i= 4 kV/ cm。

圖1 GEM 的二維模擬結(jié)構(gòu)示意圖

　　對(duì)本小組已有的基于二維PIC-MCC 模型的PDP(Plasma Display Panel) 粒子模擬軟件進(jìn)行改進(jìn), 使其適合GEM 的模擬。嘗試從跟蹤粒子運(yùn)動(dòng)和用MCC方法模擬粒子間的碰撞來模擬GEM 中的電子的倍增放大過程, 并分析不同的惰性氣體條件下GEM 的增益和各邊界層上收集到的電荷情況。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為模擬時(shí)選擇時(shí)間步長(zhǎng)為5 × 10^{- 14} s, 空間步長(zhǎng)為10 um。

　　本文采用PIC-MCC 模型對(duì)工作氣體分別為輕惰性氣體Ne 和重惰性氣體Xe 時(shí)GEM 的特性進(jìn)行了研究, 比較了它們的倍增過程、增益特性、有效效率和各邊界對(duì)電子收集情況的不同。研究結(jié)果表明由于Ne 的碰撞截面小, Ne 中的電子能量高, 速度快, 可以較快地到達(dá)收集電極, 從而有效效率可達(dá)60% 以上, 而Xe 的有效效率僅在30% ~ 40% 間。在1.013 × 10⁵Pa 下, 為預(yù)防放電對(duì)GEM 器件的損害,工作氣體為Ne 的GEM 的工作電壓低, Ne 可達(dá)到的增益也較低。但由于模型未考慮高氣壓下Ne 中的逐次電離效應(yīng), 使得Ne 的最大增益值隨氣壓的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有偏差, 在后面的工作中要對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。由于純惰性氣體比較穩(wěn)定, 不會(huì)產(chǎn)生活性分子從而可防止老化, 可將器件密封起來長(zhǎng)時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn), 所以針對(duì)GEM 采用惰性工作氣體, 工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如何選擇可有效地防止放電達(dá)到最大增益是一個(gè)有非常有意義的課題。