基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的氣體電子倍?增器增益模擬和實驗研究

張余煉1)2)3) 祁輝榮2)3)? 胡碧濤1)2)? 溫志文1)2)3) 王海云2)3)4)歐陽群2)3) 陳元柏2)3) 張建2)3)

1)(蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000)

2)(核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室,北京 100049)

3)(中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

4)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的氣體電子倍?增器增益模擬和實驗研究

張余煉1)2)3) 祁輝榮2)3)? 胡碧濤1)2)? 溫志文1)2)3) 王海云2)3)4)歐陽群2)3) 陳元柏2)3) 張建2)3)

1)(蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000)

2)(核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室,北京 100049)

3)(中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

4)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

(2017年3月16日收到;2017年4月24日收到修改稿)

氣體電子倍增器(GEM)作為高性能的微結(jié)構(gòu)氣體探測器在高能物理相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的研究和應(yīng)用.其中增益是GEM探測器基本性能研究中的一個重要參數(shù),該值的精確測量至關(guān)重要.增益的測量一般采用電流測量或者能譜測量方法,但均存在精度較低或者過程繁瑣的問題,且無法精確測量低增益值.針對GEM探測器增益的精確測量,本文提出了一種由GEM探測器與微網(wǎng)結(jié)構(gòu)氣體探測器(MM)級聯(lián)構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)探測器(GEM-MM).利用GEM-MM結(jié)構(gòu)以相對方法實現(xiàn)GEM增益的精確測量.該方法既可以省去傳統(tǒng)方法中復(fù)雜的電子學(xué)標(biāo)定過程,同時不需要進(jìn)行原初電離電子數(shù)的估算,保證了增益的精確測量,并且可以實現(xiàn)GEM低增益的測量.基于GEM-MM測量GEM增益的原理,本文首先對GEM-MM電荷輸運過程進(jìn)行了模擬研究,優(yōu)化了合適的工作電壓.比較了三種不同類型和配比工作氣體下GEM增益模擬結(jié)果,并在Ar/iC4H10(95/5)氣體中測量了單層GEM在3—24范圍內(nèi)的有效增益.不同Penning系數(shù)下GEM增益的模擬結(jié)果表明,Penning系數(shù)為0.32時GEM增益的模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果符合得很好.由此可以確定一個大氣壓下的Ar/iC4H10(95/5)氣體中,Penning系數(shù)為0.32±0.01.

氣體電子倍增器,微網(wǎng)結(jié)構(gòu)氣體探測器,增益

1 引 言

氣體電子倍增器(gas electron multiplier, GEM)[1]是一種高精度分辨的微結(jié)構(gòu)氣體探測器,由Sauli于1997年提出.此后,國內(nèi)外對GEM開展了大量研究,促進(jìn)了其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用[2].由于它所具有的高位置分辨率(＜70μm)[3]、優(yōu)秀的能量分辨(10%)[4,5]、可以在高計數(shù)率下長時間穩(wěn)定工作[6]以及易于制作安裝的特性.GEM技術(shù)正在研究用于高能物理實驗中,例如直線對撞機(jī)時間投影室(LCTPC)、緊湊型μ介子螺線管探測器(CMS)以及大型離子對撞機(jī)實驗等[7-9].GEM膜是雙面覆銅的聚酰亞胺(Kapton)膜,膜上刻蝕出貫穿的微孔結(jié)構(gòu)(孔徑70μm,孔間距140μm).在GEM膜兩側(cè)銅電極上加上合適的電壓差,微孔內(nèi)會形成高強(qiáng)的電場(30—50 kV/cm).一般以單層或者多層級聯(lián)的GEM膜作為倍增電極,在膜的兩側(cè)設(shè)置漂移極和讀出極,密閉在工作氣體(一般為惰性以氣體為主的混合氣體)環(huán)境中構(gòu)成探測器.單層GEM探測器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.漂移極與GEM膜之間為漂移區(qū),GEM膜與讀出極之間為感應(yīng)區(qū).保持漂移區(qū)以及感應(yīng)區(qū)電場方向與孔內(nèi)電場方向相同.帶電粒子在漂移區(qū)與氣體介質(zhì)電離產(chǎn)生的原初電離電子,在電場作用下向GEM微孔內(nèi)運動,在孔內(nèi)的強(qiáng)場中發(fā)生雪崩倍增.倍增后大量的電子離開GEM膜到達(dá)下一級的倍增電極或者被收集到讀出電極,最終由讀出電子學(xué)讀出.為保證GEM的穩(wěn)定性,單層GEM膜的增益通常在幾十到幾百左右,在實際應(yīng)用中需要級聯(lián)多層的GEM膜以獲取高的增益.微網(wǎng)結(jié)構(gòu)氣體探測器(micro-mesh gaseous structure,MM)[10]是另外一種被廣泛研究的微結(jié)構(gòu)氣體探測器,由Saclay實驗室于1996年提出.MM探測器的結(jié)構(gòu)較GEM更為簡單,包括漂移極、讀出極和金屬絲網(wǎng),如圖1(b)所示.金屬絲網(wǎng)與讀出極之間的區(qū)域為雪崩區(qū), MM工作時雪崩區(qū)電場強(qiáng)度約為30 kV/cm.原初電離電子產(chǎn)生于漂移極與金屬絲網(wǎng)之間的漂移區(qū),在電場作用下穿過金屬絲網(wǎng)到達(dá)雪崩區(qū).為保證雪崩區(qū)距離的均勻,金屬微網(wǎng)與讀出PCB之間為支撐柱結(jié)構(gòu).倍增后的電子被讀出極收集讀出.

圖1 探測器結(jié)構(gòu)示意圖 (a)MM;(b)單層GEMFig.1.Diagram of the Micromegas and GEM detectors：(a)Micromegas detector;(b)single GEM detector.

氣體探測器的增益即氣體的放大倍數(shù)是探測器的一個重要參數(shù).其中包括以各種方式(氣體對電子的吸附以及GEM膜對電子的吸收等)損失從而未能被讀出電極收集的電子.以GEM探測器為例,根據(jù)氣體放大機(jī)制理論[11],在一定范圍內(nèi), GEM的增益隨極電壓差的增大呈指數(shù)上升.通過增益與電壓關(guān)系的測量可以確定優(yōu)化的工作電壓范圍.傳統(tǒng)方法通過對讀出電極上平均電流的測量確定GEM的增益[12].例如在X射線入射時,產(chǎn)生的原初電離電子數(shù)、X射線計數(shù)率以及增益之間的乘積與讀出電極上的電流大小成正比.該方案中需要精確測量電流大小,而通常電流是很小的.例如在55Fe X射線源照射下,電流通常約為nA量級.因此實現(xiàn)高精度的電流測量比較困難.實際測量中,此方法適用于在高通量的X光照下(例如X光機(jī))的增益測量.還可以采用前置放大器加主放大器的方案實現(xiàn)電荷測量,但需要進(jìn)行放大器的標(biāo)定,確定其輸出電壓與輸入電荷的關(guān)系.這兩種方案都需要計算原初電離電子數(shù).氣體產(chǎn)生一對電子離子對所需的平均能量為氣體的平均電離能(如氬氣中約為26 eV),根據(jù)帶電粒子在氣體中的能量損失由實驗測量得到.混合氣體中的平均電離能為按氣體體積百分比計算的平均值,因此根據(jù)平均電離能計算原初電離電子數(shù)會帶來較大誤差(氬氣中為10%)[13].增益為電子經(jīng)過GEM放大前后的電子數(shù)的比值,無論以何種方式測量增益,估算原初電離電子數(shù)帶來的誤差都是不可避免的問題.此外,由于測量電子學(xué)對信噪比的要求,GEM需要有較高的增益.這就導(dǎo)致在低增益下GEM增益的測量十分困難.

另外一種GEM增益的測量方案是利用GEM與其他電子放大結(jié)構(gòu)級聯(lián)實現(xiàn)的相對測量方法.對GEM與微條氣體室(MSGC)級聯(lián)[14],及GEM與平面微間隙探測器(PMGC)級聯(lián)[15]的研究表明,級聯(lián)后探測器總的增益顯著低于GEM增益與MSGC或者PMGC增益的乘積.這是因為MSGC以及PMGC的陰極和陽極為同一平面上的左右結(jié)構(gòu),其陰極和陽極上不同的電壓導(dǎo)致GEM與它們之間傳輸區(qū)電場不均勻,整體場強(qiáng)降低.導(dǎo)致GEM膜的電子出孔率降低,從而使級聯(lián)探測器的增益顯著下降.此外MSGC與PMGC的微電極附近電子倍增累積的空間電荷效應(yīng)也是增益下降的一個重要原因.而且MSGC以及PMGC極易受到打火影響而損傷.為避免傳統(tǒng)測量方法和相對測量方法的問題,本文介紹了一種GEM結(jié)合MM的復(fù)合結(jié)構(gòu)(GEM-MM)測量GEM增益的方案.這種結(jié)構(gòu)利用了GEM膜電子倍增放大與讀出電極相互獨立這一特性,將GEM膜級聯(lián)于MM的金屬微網(wǎng)與漂移電極之間(參見圖1).因為位于讀出極與GEM膜之間的MM微網(wǎng)為平面結(jié)構(gòu),且微網(wǎng)與讀出極為上下結(jié)構(gòu).只需在微網(wǎng)上加合適的電壓就可以實現(xiàn)對其兩側(cè)區(qū)域電場的控制.改變MM工作電壓時,MM與GEM之間的傳輸區(qū)電場不受影響.通過優(yōu)化GEM以及MM的工作電壓,在GEM增益很低時(＜10)也可以容易地區(qū)分出MM的增益以及GEM的增益.而在MM中電子倍增發(fā)生在雪崩區(qū)的均勻空間內(nèi),空間電荷效應(yīng)影響很小[16].因此GEM-MM結(jié)構(gòu)較之前提出的GEM與其他探測器級聯(lián)的結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢.尤其是在GEM增益較低情況下,通過增加MM的增益,采用相對方法能夠有效地測量GEM增益并保證一定的測量精度. GEM-MM結(jié)構(gòu)還可以降低打火率的同時提高M(jìn)M的增益[17],研究表明這種復(fù)合結(jié)構(gòu)有效地提高了整體探測器的增益,同等增益下顯著降低了打火率,且沒有出現(xiàn)GEM-MSGC以及GEM-PMGC結(jié)構(gòu)中增益降低的現(xiàn)象.

下文中首先介紹利用有限元分析軟件以及Gar field++程序?qū)EM-MM探測器的模擬研究結(jié)果;通過比較探測器中各部分區(qū)域場強(qiáng)及工作電壓對電子在各個電極上的收集比例的影響,優(yōu)化選擇了GEM-MM合適的工作電壓;同時模擬了GEM探測器在不同氣體中的增益,并進(jìn)行了比較;實驗部分介紹了該方法測量GEM增益的原理以及實驗測量裝置,隨后給出了GEM增益的實驗測量結(jié)果以及誤差分析,最后對GEM增益測量的實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行了對比,并確定了Ar/iC4H10(95/5)氣體的Penning系數(shù).

2 模擬研究

2.1 建模及模擬方法

模擬采用的主要工具是Gar field++程序[18],它是對氣體探測器精確模擬的專用程序.利用Gar field++可以計算并繪制靜電場、電子和離子在氣體中的運動以及計算讀出電極上的感應(yīng)信號.氣體中電荷的運動依賴于探測器的電場配置,因此電場計算是Gar field++模擬研究的基礎(chǔ).但是Gar field++本身只能處理簡單的二維電場的計算問題,針對微結(jié)構(gòu)的GEM電場計算需要采用專用的電場計算軟件.模擬中采用了開源的有限元分析和計算程序Gmsh[19]和Elmer[20].Gmsh可以進(jìn)行探測器的幾何建模和網(wǎng)格劃分.GEM-MM結(jié)構(gòu)的模型建立如圖2(a)所示.漂移區(qū)距離為4 mm, GEM膜與金屬網(wǎng)之間的傳輸區(qū)距離為1.4 mm.圖2(b)所示為GEM探測器的模型,模擬中漂移區(qū)間距及感應(yīng)區(qū)間距均為1 mm.Elmer通過讀取Gmsh的網(wǎng)格劃分進(jìn)行電場的計算.由于模擬中探測器建模為選取的可重復(fù)小單元,電場計算時,邊界條件的設(shè)置十分重要.合適的邊界條件設(shè)定可以確保對電場計算結(jié)果在x和y方向重復(fù)時的準(zhǔn)確性.在Gmsh對GEM-MM建模中,設(shè)置各個電極的表面為不同電壓的邊界條件.長方體單元的相對側(cè)面設(shè)置為對稱邊界條件.

將電場計算的結(jié)果導(dǎo)入到Gar field++中,由其所提供的Magboltz接口定義探測器的工作氣體.由于工作氣體參數(shù),如漂移速度、擴(kuò)散系數(shù)、吸附系數(shù)以及倍增系數(shù)等對電子輸運過程有重要的影響,利用Magboltz程序計算了氣體的相關(guān)性質(zhì).由于這些氣體參數(shù)依賴于電場大小,最后由AvalancheMicroscopic類提供的方法計算電子在氣體中的輸運過程時根據(jù)電子所處位置的電場大小考慮了氣體參數(shù)的影響.Gar field++提供了ROOT接口,計算的結(jié)果保存為ROOT文件,進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析.

模擬研究主要包括兩方面的內(nèi)容.首先是對電子在GEM-MM探測器中電荷輸運過程的模擬,目的在于確定電子在GEM-MM中各個電極上的收集情況及其與GEM-MM探測器電場配置的關(guān)系.模擬中,電子隨機(jī)放置在圖2(a)所示的漂移區(qū)內(nèi),距離GEM膜上表面為0.5 mm.計算電子在不同的探測器電場配置下的漂移以及放大過程,統(tǒng)計5000次電子事例及其對應(yīng)的所有倍增電子在探測器中的位置信息并保存為ROOT文件.對GEM增益的計算是模擬研究的第二個重要內(nèi)容.在圖2(b)所示模型的漂移區(qū)內(nèi)距離GEM膜上表面為0.5 mm的平面上隨機(jī)放置原初電子,在不同的GEM電壓下模擬電子在經(jīng)過GEM膜后的倍增數(shù)目.統(tǒng)計5000個原初電子分別對應(yīng)的電子倍增數(shù)目分布,分析得到GEM的增益.模擬中工作氣體設(shè)置為Ar/iC4H10(95/5)混合氣體,溫度為20°C,氣壓為1 atm.計算了GEM在三種不同類型和配比氣體下的增益.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)使用Gmsh建立的探測器幾何構(gòu)型 (a)GEM-MM結(jié)構(gòu),自上至下為漂移極、GEM膜、金屬絲網(wǎng)和讀出陽極;(b)GEM探測器結(jié)構(gòu),包括漂移極、GEM膜和讀出陽極.圖中單位為cmFig.2.(color online)The structure of detector module by Gmsh software tool(a)GEM-MM detector：drift cathode,GEM,stainless steel mesh and readout anode from top to bottom(b)GEM detector：drift anode, GEM and readout anode(in cm).

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 電場計算

探測器中電子的運動與其所處的電場環(huán)境密切相關(guān),因此對探測器的電場計算是后續(xù)模擬研究的基礎(chǔ),電場計算結(jié)果如圖3所示.圖3(a)為探測器在x-z平面的電場大小分布,為了更好地展示出GEM膜以及MM金屬微網(wǎng)附近的電場結(jié)構(gòu),對傳輸區(qū)的距離做了調(diào)整.從圖中可以看出,僅在GEM以及MM金屬微網(wǎng)附近存在不均勻的電場.且這種不均勻的電場向GEM膜以及金屬網(wǎng)的微孔聚攏,這一特性有利于提高電子的透過率.圖3(b)為圖3(a)所示平面內(nèi)沿x=0的直線上電場大小的分布,橫軸表示直線上距離最下方讀出陽極的相對距離.從圖中可見MM雪崩區(qū)、GEM微孔的高強(qiáng)電場以及感應(yīng)區(qū)和漂移區(qū)的電場.GEM-MM結(jié)構(gòu)中電場配置分別是漂移區(qū)場強(qiáng)(Ed),GEM工作電壓(VGEM)、傳輸區(qū)場強(qiáng)(Et)以及MM工作電壓(Vmesh).圖3所示的電場計算結(jié)果對應(yīng)的電場配置為：Ed=1 kV/cm,VGEM=300 V, Et=1.5 kV/cm,Vmesh=440 V.

圖3(網(wǎng)刊彩色)由ANSYS計算的GEM-MM探測器電場強(qiáng)度 (a)在x-z平面的分布;(b)沿穿過GEM孔中心的直線路徑上的分布Fig.3.(color online)The electric field of GEM-MM detector calculated by ANSYS：(a)Distribution in the x-z plane;(b)distribution along the center of the GEM detector’s hole.

2.2.2 電子透過率

模擬中電子由漂移區(qū)向GEM膜運動,經(jīng)過GEM的雪崩放大后繼續(xù)向MM傳輸,經(jīng)過第二次倍增后被讀出電極收集.該過程中電子有可能終止在其他電極或者氣體介質(zhì)內(nèi),而這一過程與探測器的電場配置相關(guān).因此需要優(yōu)化確定探測器電場配置以保證電子在讀出電極上的收集效率.模擬中根據(jù)電子終止位置,確定出其最后是被探測器的哪一個電極所收集.探測器中電子在各個電極的收集情況與GEM-MM各部分電場(或工作電壓)關(guān)系的模擬結(jié)果如圖4所示,圖中縱軸表示探測器中在各個電極上收集的電子數(shù)與總電子數(shù)(包括初始電子事例以及倍增產(chǎn)生的電子)的比值.圖4(a)—圖4(d)所示為分別改變四個電場變量中的Ed,VGEM,Et以及Vmesh,保持其他三個變量不變時電子在各個電極的收集情況隨電場及電壓的變化.如改變MM的工作電壓Vmesh時,GEM膜上下表面以及漂移極的電壓均隨之改變,但保持傳輸區(qū)、漂移區(qū)兩端以及GEM膜兩側(cè)電極壓差不變,從而保持VGEM,Et以及Vmesh不變.四部分場強(qiáng)及電壓分別設(shè)置為Ed=100 V/cm,VGEM=340 V,Et=100 V/cm及Vmesh=420 V.圖中未給出電極上電子收集比例為零或者十分接近于零.

漂移區(qū)電場對電子輸運影響較小,改變不同漂移場強(qiáng),電子在各電極收集的比例基本保持不變,如圖4(a)所示.GEM與MM的工作電壓影響則非常明顯,如圖4(b)及圖4(d)所示.當(dāng)GEM工作電壓升高保持傳輸區(qū)場強(qiáng)不變時,GEM膜內(nèi)倍增電子的出孔率會相應(yīng)降低,導(dǎo)致更多的電子被收集于GEM膜的下表面電極.在GEM-MM探測器中,為保持GEM膜對電子的出孔率不變,需要保持GEM的工作電壓與傳輸區(qū)兩側(cè)的電壓差的比例不變.即在改變GEM工作電壓時,傳輸區(qū)電場也需要隨之改變.MM工作電壓越高,金屬網(wǎng)對電子的透過率越高.由此可知,要提高電子的收集效率,MM需要工作在較高的工作電壓下,而GEM工作電壓不宜過高.圖4(c)描述了傳輸區(qū)電場對電子收集比例的影響.在GEM工作電壓為340 V時,傳輸區(qū)場強(qiáng)高于500 V/cm后,GEM的電子出孔率基本達(dá)到最大并保持恒定.

2.2.3 增 益

對GEM增益的模擬是研究的一個主要內(nèi)容.由于Penning效應(yīng)對增益有著一定的貢獻(xiàn),在Gar field++的模擬中以系數(shù)r描述了Penning效應(yīng)帶來的氣體電離.r表示具有激發(fā)能高于氣體電離能的激發(fā)態(tài)所引發(fā)的氣體電離概率.在設(shè)定的Ar/iC4H10(95/5)混合氣體中,r參考值選取為0.40[21].模擬中漂移區(qū)和感應(yīng)區(qū)的場強(qiáng)分別是Ed=250 V/cm和Ei=1 kV/cm.GEM電子倍增對應(yīng)的增益可以用Polya分布描述[22]

式中C0為常數(shù);G0為單電子倍增分布的平均增益; θ是決定Polya分布方差的參數(shù),其大小與能量超過電離閾值的電子比例有關(guān).圖5所示為GEM電壓為300 V時,5000個電子經(jīng)過GEM膜倍增后電子數(shù)量分布的模擬結(jié)果.紅色線為按照(1)式擬合的結(jié)果,可以看出Polya分布可以很好地描述GEM的增益.

圖5 模擬計算Ar/iC4H10(95/5)混合氣體中GEM單電子倍增數(shù)分布,VGEM=300 V,Ed=250 V/cm, Ei=1 kV/cm,r=0.40Fig.5.Simulated single electron avalanche size distribution of GEM in Ar/iC4H10(95/5)with VGEM= 300 V,Ed=250 V/cm,Ei=1 kV/cm,Penning transfer rate r=0.40.

但是當(dāng)GEM電壓較低時,模擬中發(fā)現(xiàn)增益并不能用Polya很好地描述.圖6是GEM電壓為150 V時,5000個電子經(jīng)過GEM膜倍增后總的電子數(shù)量分布模擬結(jié)果.此時倍增電子數(shù)分布沒有Polya分布中明顯的最大值,這時用指數(shù)分布描述更為合適[23],

式中C1為常數(shù).圖6所示的擬合結(jié)果中Slope= -1/G0,其中G0為單電子倍增后的平均增益.

圖6 模擬計算Ar/iC4H10(95/5)混合氣體中GEM單電子倍增數(shù)分布,VGEM=150 V,Ed=250 V/cm, Ei=1 kV/cm,r=0.40Fig.6. Simulated single electron avalanche size distribution ofGEM in the operation gas of Ar/iC4H10(95/5)at VGEM=150 V,Ed=250 V/cm, Ei=1 kV/cm,r=0.40.

模擬中對GEM的總增益和有效增益做了區(qū)分.總增益(G)即每個電子發(fā)生雪崩后的總電子數(shù),其中包括以各種方式(氣體對電子的吸附以及GEM膜結(jié)構(gòu)對電子的吸收等)損失從而未能被讀出電極收集的電子.有效增益(Geff)則指原初電子經(jīng)GEM膜倍增后到達(dá)讀出電極的電子數(shù),不包括在到達(dá)讀出電極之前損失掉的電子.圖5及圖6所示為總增益,本文中實驗部分增益均為有效增益,模擬中提到的增益除特別指出外,也指有效增益.模擬的GEM單電子增益分布在不同的GEM電壓下采取了不同的擬合方式(指數(shù)擬合以及Polya擬合).從單電子倍增數(shù)分布中直接獲取平均值也可以得到增益.Ar/iC4H10(95/5)氣體中GEM增益的模擬結(jié)果列于表1.從結(jié)果來看,總增益與有效增益區(qū)別較大,這主要是由GEM膜(包括兩側(cè)金屬電極以及中間Kapton膜)對電子的吸收造成的.模擬給出了Ar/iC4H10(95/5), Ar/CO2(90/10)(r=0.452)以及Ar/CO2(70/30) (r=0.57)[24]混合氣體中的增益特性,結(jié)果如圖7所示.從圖中可以看出,在GEM相同工作電壓下,Ar/iC4H10(95/5)較其他兩種氣體具有最高增益,且與GEM工作電壓之間表現(xiàn)出很好的指數(shù)相關(guān)性.GEM增益的實驗測量中,選取了Ar/iC4H10(95/5)工作氣體.

表1 Ar/iC4H10(95/5)(r=0.40)混合氣體中GEM增益模擬結(jié)果Table 1.Total gain and e ff ective gain of GEM simulation in the Ar/iC4H10(95/5)with r=0.40.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)不同氣體中GEM增益與GEM工作電壓關(guān)系的模擬結(jié)果,Ed=250 V/cm,Ei=1 kV/cmFig.7.(color online)Simulated gain if GEM in the different gas mixtures at Ed=250 V/cm,Ei=1kV/cm.

3 測量原理與實驗裝置

3.1GEM-MM結(jié)構(gòu)和增益測量原理

GEM-MM的結(jié)構(gòu)如圖8所示,自上而下為漂移極、GEM膜、金屬絲網(wǎng)和讀出陽極.GEM膜為歐洲核子中心提供的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)GEM.MM為與Saclay實驗室合作的基于Bulk工藝的探測器,其雪崩區(qū)間距為128μm.金屬絲網(wǎng)絲徑22μm,絲間距40μm.漂移區(qū)和傳輸區(qū)間距分別為4和1.4 mm.

圖8GEM-MM測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8.The schematic diagram of GEM-MM detector.

實驗采用的工作氣體為氬基混合氣體(Ar/iC4H10(95/5)). 光電效應(yīng)是能量EX為5.9 keV的55Fe X射線與氬原子相互作用的主要物理過程.發(fā)生光電效應(yīng)時,光子與氬原子內(nèi)層電子或束縛電子發(fā)生相互作用,其能量被完全吸收,用于電離或者激發(fā)氬原子.電離過程中,獲得能量的電子發(fā)射出來成為自由電子(光電子).發(fā)射特征X射線能量為

式中EK和EL分別為K和L殼層電子的結(jié)合能.另外一種方式為發(fā)射俄歇電子,這兩種過程同時存在.光電效應(yīng)過程中產(chǎn)生的所有電子(包括光電子和俄歇電子)由于能量較低,其能量全部沉積在探測器的氣體介質(zhì)中.因此在實驗測量的能譜中存在一個與俄歇電子發(fā)射相對應(yīng)的X光子能量全部沉積形成的全能峰,以及特征X射線過程相對應(yīng)的逃逸峰.

X射線由探測器上方的入射窗進(jìn)入工作氣體內(nèi).5.9 keV X射線在厚度為4 mm的氬氣中的轉(zhuǎn)換效率約13%[25],部分光子在漂移區(qū)沉積能量,還有部分光子在傳輸區(qū)與氣體發(fā)生相互作用.因此在漂移區(qū)和傳輸區(qū)都會產(chǎn)生光電子.漂移區(qū)產(chǎn)生的光電子在電場的作用下經(jīng)過GEM膜和MM兩級的倍增放大,最終在讀出極收集為Nt1.而在傳輸區(qū)產(chǎn)生的光電子只經(jīng)過MM一級的放大,最后被收集在讀出極上為Nt2.因此,實驗測量得到的55Fe能譜包含有兩組全能峰和逃逸峰.設(shè)GEM膜和MM的增益分別為Geff和Gmm,GEM-MM的增益為Ggem-mm,則有

由此,GEM的增益可表示為

而讀出極收集的電荷量正比于多道的道數(shù),因此

式中CH1和CH2分別為漂移區(qū)和傳輸區(qū)光子能量沉積對應(yīng)的多道的道數(shù),GEM膜的增益測量就轉(zhuǎn)換為多道道數(shù)比值的測量,無需電子學(xué)的標(biāo)定以及對原初電離電子數(shù)的估算.

3.2 實驗裝置

增益測量實驗裝置如圖9所示.整體的GEMMM探測器有效面積為50 mm×50 mm,讀出電極為面積為50 mm×50 mm的單個Pad.MM雪崩區(qū)的倍增電子在金屬網(wǎng)和讀出陽極感應(yīng)出大小相等極性相反的信號,因而從兩個電極都可以進(jìn)行測量.但是實驗測量中發(fā)現(xiàn),若從陽極讀出,由于金屬絲網(wǎng)電極高壓端需要加保護(hù)電阻,而保護(hù)電阻會使得陽極讀出的信號遠(yuǎn)小于不接保護(hù)電阻時的信號.此外由于所使用的電荷靈敏前置放大器輸入端存在隔直電容,因此陽極讀出時還需要加接地電阻,以利于電荷泄放,避免探測器工作不穩(wěn)定.鑒于此,在只有單個讀出單元的GEM-MM探測器測試中,采取了Pad接地,從金屬絲網(wǎng)讀出信號的方式.其余電極采用了CAEN N471型高壓插件提供高壓,信號讀出前端采用ORTEC 142IH電荷靈敏型前置放大器,主放為ORTEC 572 A,成形時間設(shè)置為1μs.數(shù)據(jù)最后由ORTEC ASPEC927多道分析器收集.射線源活度為5mCi的55Fe X放射源.采用流氣式工作模式,氣流量為30mL/min.

圖9 復(fù)合結(jié)構(gòu)探測器實物圖Fig.9.Photos of the GEM-MM detector in lab.

4 測量結(jié)果分析

4.1 能譜測量

讀出Pad上的感應(yīng)電荷,經(jīng)過前置放大器和主放大器放大成形后,由多道分析器采集.圖10為GEM-MM探測器的能譜測量結(jié)果.GEM和MM的工作電壓分別為240和370 V,隨漂移區(qū)和傳輸區(qū)場強(qiáng)分別為300和625 V/cm.從圖中可以明顯地看到四個峰位,前兩個分別為傳輸區(qū)光子事例的逃逸峰和全能峰,后兩個則分別對應(yīng)漂移區(qū)光子事例的逃逸峰和全能峰.圖中同時給出了高斯擬合的結(jié)果,擬合后可確定出全能峰對應(yīng)的多道的道值及其誤差.利用傳統(tǒng)的增益測量方法,可以確定出MM和GEM-MM探測器的增益.GEM的增益根據(jù)(7)式由能譜直接測量得到.即分別擬合出兩個全能峰的道值,后面道數(shù)與前面道數(shù)的比值就是GEM的增益.

圖10(網(wǎng)刊彩色)GEM-MM55Fe放射源X射線能譜測量圖 VGEM=220 V,VMM=370 V,Et=625 V/cm, Ed=300 V/cmFig.10. (color online)Energy spectrum of GEMMM detector with55Fe source@VGEM=220 V, VMM=370 V,Et=625 V/cm,Ed=300 V/cm.

采用相對方法測量GEM增益誤差來源于對兩個全能峰峰位的測量.如圖10所示,對GEM-MM對應(yīng)的全能峰和MM對應(yīng)的全能峰分別做高斯擬合后,平均值為所得峰位取高斯擬合的標(biāo)準(zhǔn)差為峰位測量的誤差(分別為σCH1.在圖10所示的能譜測量中,利用擬合結(jié)果可得GEMMM相對方法測量GEM增益的相對誤差為

另一方面,傳統(tǒng)增益測量方法中,由原處電離電子計算帶來的誤差主要來源于平均電離能的誤差σw、刻度電子學(xué)σe的誤差以及能譜測量的誤差σch.總的誤差可表示為

由文獻(xiàn)給出的平均電離能誤差,在混合氣體中,平均電離能的計算誤差可由單一氣體的計算誤差得到,在Ar-iC4H10混合氣體中為14%;σe小于1%, σch即為(8)式中σCH1.由此可見,采用相對方法測量更加精確.

4.2 增益測量

GEM-MM探測器的增益與GEM和MM的工作電壓直接相關(guān).此外漂移區(qū)和傳輸區(qū)的場強(qiáng)同樣會對增益有影響.實驗中首先測量了增益隨漂移區(qū)和傳輸區(qū)場強(qiáng)的變化關(guān)系,結(jié)果如圖11所示.圖中增益為GEM-MM的增益,通過傳統(tǒng)方法測量得到.

優(yōu)化測量中,MM和GEM的工作電壓分別保持在VMM=370 V和VGEM=240 V.首先傳輸區(qū)的場強(qiáng)固定在Et=625 V/cm,測量了增益隨Ed的變化,如圖11(a)所示.從圖中可以看出,隨著漂移區(qū)場強(qiáng)的增加,增益先增大后減小.這是因為在漂移區(qū)場強(qiáng)較低時,電離電子不能完全進(jìn)入到GEM中得到放大,有相當(dāng)一部分的電子在漂移區(qū)被吸收.隨著電場強(qiáng)度的增加,電離電子到達(dá)GEM膜的比例達(dá)到最大值.但是當(dāng)漂移區(qū)電場強(qiáng)度進(jìn)一步增大時,電子被收集到GEM膜上表面電極的比例增加,從而導(dǎo)致增益下降.優(yōu)化選取Ed=300 V/cm.隨后Ed保持300 V/cm不變,測量增益隨傳輸區(qū)場強(qiáng)變化關(guān)系,如圖11(b)所示.隨著Et的增加,增益呈現(xiàn)出先增大后減小的變化.原因是MM金屬絲網(wǎng)對電子的透過率隨著傳輸區(qū)場強(qiáng)的增加是先升高后降低的.優(yōu)化選取最大增益處Et=625 V/cm,據(jù)此確定GEM電壓與漂移區(qū)兩側(cè)電壓差的比值以及傳輸區(qū)兩側(cè)壓差分別與VGEM及VMM的比值.優(yōu)化工作電壓后,在后續(xù)增益測量中,改變GEM或MM工作電壓時,保持Et和Ed同比例變化,以保證GEM-MM最大的電子透過率.

圖11 GEM-MM測量增益 (a)隨漂移區(qū)場強(qiáng)變化,VGEM=240 V,VMM=370 V,Et=625 V/cm;(b)隨傳輸區(qū)場強(qiáng)變化,VGEM=240 V,VMM=370 V,Ed=300 V/cmFig.11.Measurement of GEM-MM detector’s gain：(a)Ed10–1500 V/cm@VGEM=240 V,VMM=370 V, Et=625 V/cm;(b)Et100–3000 V/cm@VGEM=240 V,VMM=370 V,Ed=300 V/cm.

圖12 探測器測量增益 (a)隨GEM工作電壓的變化,VMM=370 V;(b)隨MM工作電壓的變化,VGEM= 240 V;Ed及Et隨GEM或MM工作電壓按比例變化Fig.12.Measurement of the detector’s gain：(a)VGEM190–270 V@VMM=370 V;(b)VMM300–390 V@ VGEM=240 V and Ed/Etaccording to the optimized voltage ratio.

根據(jù)能譜測量結(jié)果,進(jìn)行了GEM-MM增益與GEM和MM工作電壓關(guān)系的測量,結(jié)果圖12所示.其中GEM增益根據(jù)能譜中全能峰道值直接得到, GEM-MM探測器的增益和MM的增益采用傳統(tǒng)方法經(jīng)過電子學(xué)的標(biāo)定測量得到.

5 測量結(jié)果與模擬結(jié)果對比

利用Gar field++計算的Ar/iC4H10(95/5)氣體中GEM增益與利用GEM-MM復(fù)合結(jié)構(gòu)采用相對方法測量的GEM增益進(jìn)行了對比,結(jié)果如圖13所示.圖中Geff( fi tted mean)為采用擬合方法獲取的增益,Geff(mean)表示增益分布直方圖的平均值.

圖13 (網(wǎng)刊彩色)GEM增益隨工作電壓變化的模擬與實驗測量結(jié)果比較Fig.13.(color online)Comparison of GEM gain simulation and measurement results.

模擬的有效增益結(jié)果與GEM電壓的關(guān)系如圖13所示,可以看出增益越低,模擬中采用取平均值和擬合得到的增益二者結(jié)果差別越大.尤其是在增益較低時(小于5),增益與GEM電壓的關(guān)系偏離指數(shù)關(guān)系.這是因為在GEM工作電壓較低時,有很大一部分的電子經(jīng)過GEM膜后沒有發(fā)生倍增,且會大概率地被GEM膜所收集.從而導(dǎo)致了有效增益小于1,擬合方法得到的結(jié)果會有較大偏差.因此在增益的模擬中,在GEM增益較低時取單電子增益分布的平均值作為平均增益更為合適.圖中紅色三角符號標(biāo)識為GEM增益實驗測量結(jié)果,藍(lán)色三角符號標(biāo)識為r=0.40時增益的模擬結(jié)果,可以看到模擬增益較測量結(jié)果偏高.這是因為文獻(xiàn)[21]中只給出了Ar/iC4H10(90/10)氣體中Penning系數(shù)的取值(r=0.40),而實驗中工作氣體為Ar/iC4H10(95/5).于是進(jìn)行了不同r取值的增益計算,圖中黑色標(biāo)識的實心圓點為r=0.32時的增益模擬結(jié)果,可以看到模擬的增益結(jié)果與實驗測量結(jié)果基本一致.通過對Penning系數(shù)取值的進(jìn)一步微調(diào),當(dāng)r=0.32±0.01時模擬的增益值在實驗測量1σ的誤差范圍之內(nèi).由此得到Ar/iC4H10(95/5)混合氣體中(一個大氣壓),Penning系數(shù)取值為r=0.32±0.01.

6 結(jié) 論

本文提出了一種由GEM與MM級聯(lián)構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)探測器GEM-MM.GEM與MM級聯(lián)的方案較之前的與PMGC以及MSGC級聯(lián)方案有明顯的優(yōu)勢.在該結(jié)構(gòu)探測器的能譜測量中可以清楚地區(qū)分GEM和MM對整體增益的貢獻(xiàn).在55Fe X射線入射時,測量的能譜中出現(xiàn)兩個全能峰及逃逸峰,兩個全能峰的比值即為GEM的有效增益.適當(dāng)增加MM的增益后,以這種相對方法可以實現(xiàn)GEM低增益的測量.此外這種方法測量GEM的增益避免了對電子學(xué)繁雜的標(biāo)定過程,且無需進(jìn)行原初電離電子數(shù)的估算.模擬研究中確定了其合適的工作電壓以及工作氣體.實驗中研制了GEMMM探測器,并在Ar/iC4H10(95/5)混合氣體中進(jìn)行了GEM增益的相對方法測量.得到了GEM在3—24范圍內(nèi)的有效增益.實際上,單層GEM增益為20時,三層GEM級聯(lián)探測器的總增益為6000.這正是三層GEM級聯(lián)探測器的通常工作增益,本文中測量的單層GEM增益范圍包含了多層GEM級聯(lián)探測器的通常工作增益范圍.高的探測器增益是為了在電子學(xué)噪聲水平較高時提高信噪比,而對于低噪聲水平的電子學(xué),較低的探測器增益就能滿足信噪比的要求.因此低GEM增益的測量對于低噪聲水平的電子學(xué)設(shè)計具有重要的參考意義.在GEM和MM的工作電壓分別為220和370 V時,這種方法測量GEM增益的相對誤差為14.96%.這一誤差小于傳統(tǒng)增益測量方法的測量誤差,因而更加精確.結(jié)合實驗測量結(jié)果與模擬研究,通過調(diào)整Penning系數(shù)獲得與實驗測量GEM增益相符的結(jié)果,確定了Ar/iC4H10(95/5)氣體中的Penning系數(shù)為0.32±0.01.基于本文的研究工作,下一步會開展對Ar-CF4-iC4H10(95：3：2)(所謂的T2K氣體)以及其他工作氣體Penning系數(shù)以及多層級聯(lián)GEM增益精細(xì)測量的研究.

感謝清華大學(xué)工物系高原寧教授對復(fù)合結(jié)構(gòu)氣體探測器研制中的支持以及對于本文寫作的中肯建議;感謝法國原子能研究院CEA-Saclay氣體探測器組負(fù)責(zé)人Roy教授對微網(wǎng)結(jié)構(gòu)氣體探測器研制和研究工作的幫助及支持;感謝中國科學(xué)院高能物理研究所苑長征研究員和唐光毅博士對本文寫作的建議.

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PACS:29.40.Cs DOI:10.7498/aps.66.142901

Measurement and simulation of the hybrid structure gaseous detector gain?

Zhang Yu-Lian1)2)3)Qi Hui-Rong2)3)?Hu Bi-Tao1)2)?Wen Zhi-Wen1)2)3)Wang Hai-Yun2)3)4)Ouyang Qun2)3)Chen Yuan-Bo2)3)Zhang Jian2)3)
1)(School of Nuclear Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)
2)(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics,Beijing 100049,China)
3)(Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
4)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

16 March 2017;revised manuscript

24 April 2017)

As one of the most popular micro pattern gaseous detectors,gas electron multiplier(GEM)has been extensively studied and applied in recent years.The studies of the detector gain measurement and simulation are important, especially on a low gain scale.Traditionally,the gain measurement is realized by measuring the current or the pulse height spectrum.The former needs complicated electronic chain calibration and the latter needs necessarily to calculate the primary electron number.In this paper,an alternative method to determine the e ff ective gain of GEM is introduced. The GEM gain can be precisely achieved through a gaseous detector of hybrid structure which combines GEM with micromesh gaseous structure(MM).The hybrid structure is called GEM-MM for short.The GEM-MM detector consists of drift cathode,standard GEM foil,stainless steel micro mesh,and readout anode.In this detector,the space between the cathode and the GEM foil is called drift gap and the other space between the GEM foil and the mesh is named transfer gap.When the X-rays irradiate into the gas volume of GEM-MM,the primary ionization occurs in both regions. Photoelectrons in the drift gap transfer from the drift region to ampli fi cation sensitive areas of the GEM and the MM detector while those in the transfer region are only ampli fi ed by the MM detector.In the energy spectrum of55Fe,there is a clear energy pro fi le including two sets of peaks.The gain of GEM can be easily obtained from the energy spectrum. Meanwhile,detailed simulations are carried out with Gar field++software package.Simulation of the electron transport parameters has been optimized.and the gains of GEM detector are also calculated for three di ff erent gas mixtures. Experimental results of the gains ranging from 3 to 24 are obtained.The gains of GEM under di ff erent working voltages are studied precisely from the spectrum measurements.The Penning transfer rate could reach 0.32±0.01 when the simulated value matches the measurement within 1σ error.

gas electron multiplier,micromegas,gain

:29.40.Cs

10.7498/aps.66.142901

?國家重點研發(fā)計劃“大科學(xué)裝置前沿研究”重點專項(批準(zhǔn)號：2016YFA0400400)、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：11675197)和中國科學(xué)院高能物理研究所創(chuàng)新基金資助的課題.

?通信作者.E-mail：qihr@ihep.ac.cn

?通信作者.E-mail：hubt@lzu.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*ProjectsupportedbytheNationalKeyProgrammeforS&TResearchandDevelopment,China(GrantNo. 2016YFA0400400),the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11675197),and the Innovation Fund of Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences.

?Corresponding author.E-mail：qihr@ihep.ac.cn

?Corresponding author.E-mail：hubt@lzu.edu.cn