氣體電子倍增器(GEM) 結構

　　氣體電子倍增器(GEM) 器件主要由漂移電極、GEM 復合薄膜和收集電極(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。GEM 復合薄膜是在一層約50 um 厚的聚酰亞胺( kapton) 層的兩側涂覆有銅膜, 并蝕刻高密度的孔, 當在漂移電極、收集電極和GEM 膜兩側施加合適的電壓時, 由X 射線產生的初始電子將在漂移電場的作用下進入GEM 膜的微孔, GEM 膜微孔內的強電場使電子發生倍增放大, 倍增后的部分電子在收集電場的作用下到達收集電極產生信號并被外加電路系統讀出。

　　在模過程中對GEM 探測器結構進行了簡化, 幾何尺寸及構成示意圖如圖1(a) 所示, 其中漂移區長度Ld= 200 um, 收集區長度L i= 200 um, 聚酰亞胺膜厚度T= 50 um, GEM 膜上下表面銅膜厚度t= 5 um, 節距p=140 um, 外孔徑為D, 內孔徑為d。建立的GEM 結構模型及施加電壓如圖1(b) 所示, 其中漂移電極電壓為Vdr, 感應電極電壓為Vi, GEM 上極板電壓為Vu,GEM膜下極板電壓為Vd,GEM 電壓為VGEM。則可認為漂移區場強Ed = ( Vu - Vdr) / L d, 感應區場強Ei= ( Vi-Vd) / L i,GEM電壓VGEM= Vd- Vu。

圖1 氣體電子倍增器(GEM) 結構示意圖

氣體電子倍增器(GEM) 模擬原理

　　在GEM 的理論研究模型上, 絕大多數的理論研究都基于歐洲核子研究中心開發的GARFIELD 軟件。GARFEILD 基于有限元技術, 能夠處理幾乎任意電極和介質形狀的問題, 適合處理GEM 的復雜結構。

　　GEM 中初始電子在漂移電場的作用下, 向GEM微孔運動, 并在GEM 微孔間的強電場作用下雪崩放大, 產生二次電子, 倍增后的部分電子在收集電場作用下到達收集電極產生信號。因此GEM 如其它的氣體探測器一樣, 存在電子和其它各種粒子的遷移、擴散、碰撞、電離及復合等各種過程。對GEM 中的上述過程進行模擬基于Monte Carlo 技術。MonteCarlo 技術的計算流程如圖2 所示, 首先通過以下方式初始化: 電子起始位置和漂移速度以及時間步長。初始化完成后, 按以下方式進行迭代:

圖2 Monte Carlo 積分法計算流程

　　1、由速度和時間步長, 計算出步長長度, 并假設在這過程中速度保持恒定;

　　2、計算初始位置的橫向和徑向擴散系數, 用距離步長的平方根來限定大小, 這里同樣假設在步長范圍內擴散系數保持恒定;

　　3、生成擴散, 根據三維不相關高斯分布由速度方向的一個徑向和兩個橫向部分構成;

　　4、根據速度和隨機擴散更新位置。

　　迭代會一直進行下去直到以下任意條件滿足:

　　1、粒子到達最近的電極或其它邊界終止;

　　2、計算步數達到所允許的最大值計算截止;

　　3、粒子速度變為零或者粒子從帶電電極離開( 而帶電電極會將粒子吸收) 。

　　在一個漂移區間內的氣體倍增可以用公式來估計, 其中M 為倍增后的電子數, a為湯生系數, z為漂移長度; 而這個區間內電子的吸附可以通過公式得到, 式中L 為被吸收的電子數, 為吸附系數。倍增和吸附的積分過程都是通過對漂移線的每一步通過Newton-Raphson 技術實現。