气体电子倍增器氖氙惰性气体增益特性的模拟研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东南大学电子科学与工程学院 作者:杨兰兰

  采用粒子- 蒙特卡罗模型对气体电子倍增器工作在轻惰性气体Ne 和重惰性气体Xe 中的倍增过程和增益特性进行了比较研究。研究结果表明, 轻惰性气体Ne 较重惰性气体Xe 具有更高的时间分辨率, 更高的有效探测效率。但在1 个大气压的工作条件下轻惰性气体Ne 较易放电使得工作电压降低, 从而能达到的最大增益较Xe 低, 更高气压下的工作机理还需进一步的研究。

  气体电子倍增器(Gas electron multiplier, GEM) 作为一种新型的气体探测器件, 由于具有可满足高光度条件下的高计数率和高分辨率要求, 制作简单、适合大面积探测的需要、读出方式灵活等优点, 在粒子物理、天体物理和辐射成像等领域展现出广阔的应用前景。GEM 器件的结构决定倍增主要发生在GEM 膜微孔形成的双极强电场内, 即电子雪崩被限制在几十微米的微孔内, 离子反馈和光子的二次电子效应都得到抑制, 因此GEM 中可利用纯惰性气体在较低的工作电压下获得稳定的更大增益。由于纯惰性气体比较稳定, 不会产生活性分子从而可防止老化, 可将器件密封起来长时间工作等优点, 所以近年来在太阳中微子和暗物质检测中得到了广泛应用。

  本文基于粒子-蒙特卡罗(PIC-MCC) 模型对GEM 中轻惰性气体Ne 和重惰性气体Xe 的特性进行研究, 探讨它们的雪崩和增益特性的不同, 为GEM 工作在纯惰性气体条件下的结构和工作参数的优化提供理论指导。

GEM结构及工作原理

  GEM 器件主要由漂移电极、GEM 复合薄膜和收集电极组成。GEM 复合薄膜是在一层约50 um 厚的聚酰亚胺( kapton) 层的两侧涂覆有铜膜, 并蚀刻高密度的孔, 当在漂移电极、收集电极和GEM 膜两侧施加合适的电压, 由X 射线产生的初始电子将在漂移电场的作用下进入GEM 膜的微孔, GEM 膜微孔内的强电场使电子发生倍增放大, 倍增后的部分电子在收集电场的作用下到达收集电极产生信号并被外加电路系统读出。

  在模拟过程中考虑到PIC-MCC 模型耗时较长,对GEM 探测器结构进行了简化, 简化的结构如图1所示。微孔为圆柱形, 直径80 um; 截取一个微孔单元以及周边宽30 um 的Kapton 膜( 即微孔间距为140 um) , 连同GEM 微孔上方的漂移区和下方的收集区构成一个模拟单元; 铜膜厚度仅为5 um, 忽略铜膜的厚度, 保留铜膜的属性。在上下铜膜上施加电压Vgem, 漂移电极上施加电压Vd, 设有初始电流I emit= 1.28 × 10- 6 A 从漂移电极上发射( 由8000 个初始电子产生) , 发射脉冲宽度为1 ns。收集电极上施加电压Vi, 收集在GEM 微孔中倍增放大的粒子。

  由于在漂移区和收集区的大部分区域里均为均匀的电场, 而粒子模拟耗时较长, 因此模拟时采用漂移区高度hd= 400 um , 收集区高度hi= 400 um, Kapton膜的厚度为hg= 50 um。设置GEM 漂移区电场Ed= 2 kV/ cm, 收集区电场E i= 4 kV/ cm。

GEM 的二维模拟结构示意图

图1 GEM 的二维模拟结构示意图

  对本小组已有的基于二维PIC-MCC 模型的PDP(Plasma Display Panel) 粒子模拟软件进行改进, 使其适合GEM 的模拟。尝试从跟踪粒子运动和用MCC方法模拟粒子间的碰撞来模拟GEM 中的电子的倍增放大过程, 并分析不同的惰性气体条件下GEM 的增益和各边界层上收集到的电荷情况。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为模拟时选择时间步长为5 × 10- 14 s, 空间步长为10 um。

  本文采用PIC-MCC 模型对工作气体分别为轻惰性气体Ne 和重惰性气体Xe 时GEM 的特性进行了研究, 比较了它们的倍增过程、增益特性、有效效率和各边界对电子收集情况的不同。研究结果表明由于Ne 的碰撞截面小, Ne 中的电子能量高, 速度快, 可以较快地到达收集电极, 从而有效效率可达60% 以上, 而Xe 的有效效率仅在30% ~ 40% 间。在1.013 × 105Pa 下, 为预防放电对GEM 器件的损害,工作气体为Ne 的GEM 的工作电压低, Ne 可达到的增益也较低。但由于模型未考虑高气压下Ne 中的逐次电离效应, 使得Ne 的最大增益值随气压的变化趋势与实验结果有偏差, 在后面的工作中要对模型进行进一步优化。由于纯惰性气体比较稳定, 不会产生活性分子从而可防止老化, 可将器件密封起来长时间工作等优点, 所以针对GEM 采用惰性工作气体, 工作参数和结构参数如何选择可有效地防止放电达到最大增益是一个有非常有意义的课题。

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