涂 硼 GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的模 擬王 艷 鳳 高 能 物 理 研 究 所 1/22 contentsu涂 硼 GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 介 紹uGEM膜 性 能 的 模 擬 模 型 的 建 立 （ ANSYS） 場(chǎng) 強(qiáng) 的 分 布 （ Garfield）uGEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 增 益 單 電 子 中 子 （ 、 7Li） 2/22 涂 硼 GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 介 紹n e e e10BReadoutGEM 使 用 雙 層 GEM對(duì) 原 初 電 離 放 大 ， 整 個(gè) 信 號(hào) 寬 度在 200ns左 右 。使 用 10B作 為 轉(zhuǎn) 換 層 ， 實(shí) 時(shí) 的 監(jiān) 測(cè) 中 子 束 流 強(qiáng) 度 ， 為 后續(xù) 探 測(cè) 器 提 供 歸 一 化 參 數(shù) ， 減 小 實(shí) 驗(yàn) 誤 差 。 3/22 GEM膜 性 能 的 模 擬l 模 型 的 建 立 （ ANSYS） 根 據(jù) GEM膜 的 幾 何 特 征 ， 構(gòu) 建 最 小 單 元 格 。 通 過(guò) 有 限 元 分 析 方 法 計(jì) 算 探 測(cè) 器 中 電 磁 場(chǎng) 的 分 布 情 況 。 電 勢(shì) 場(chǎng) 強(qiáng) 4/22 l 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 的 分 布 （ Garfield） 模 擬 氣 體 探 測(cè) 器 的 性 能 ， 計(jì) 算 粒 子 在 探 測(cè) 器 中 產(chǎn) 生 的 電 離 電 荷并 且 追 蹤 其 雪 崩 和 漂 移 過(guò) 程 。GEM膜 性 能 的 模 擬電 子 產(chǎn) 生 雪 崩 倍 增 現(xiàn) 象 的 閾 值 場(chǎng) 強(qiáng) 約 11kV/cm GEM膜 孔 內(nèi) 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 分 布 GEM膜 孔 內(nèi) 中 心 點(diǎn) 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 5/22 GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 增 益l GEM膜 增 益 G EM增 益 =（ 入 孔 系 數(shù) G EM絕 對(duì) 增 益 出 孔 系 數(shù) ） 入 孔 系 數(shù) ： 漂 移 電 子 進(jìn) 入 GEM孔 概 率 出 孔 系 數(shù) ： GEM孔 中 電 子 被 收 集 概 率 絕 對(duì) 增 益 ： GEM絕 對(duì) 增 益 隨 兩 面 電 極 電 壓 升 高 而 升 高 ， 目 前實(shí) 驗(yàn) 采 用 電 壓 為 380Vl GEM監(jiān) 測(cè) 器 的 增 益 不 同 的 氣 體 比 例Ar:CO2=70： 30Ar:CO2=95： 5 不 同 的 模 擬 方 式 MicroscopicMonte-Carlo 6/22 GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 增 益l GEM膜 增 益 入 孔 系 數(shù) （ focus coefficient ） 從 漂 移 區(qū) 一 定 范 圍 內(nèi) 隨 機(jī) 漂 移 電 子 ， 統(tǒng) 計(jì) 不 同 電 壓 設(shè) 置 下 電 子 進(jìn) 入 GEM孔 的 數(shù) 量 ， 得 到 入 孔 效 率 漂 移 區(qū) 長(zhǎng) 度 0.5cm， 模 擬 使 用 不 同 的 GEM膜 電 壓 電 子 入 孔 率 只 與 Edrift/vGEM的 比 值 有關(guān) 。 vGEM=380v， Edrift=13kV/cm 7/22From Fan Shengnan Italy l GEM膜 增 益 出 孔 系 數(shù) （ extract coefficient ） GEM孔 中 電 子 被 陽(yáng) 極 收 集 概 率 （ induct area 0.2cm）GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 增 益 出 孔 率 與 vGEM無(wú) 關(guān) ， 隨 Einduct (v/cm)增 大 ， 30%電 子 被 GEM膜 吸 收 。 8/22From Fan Shengnan Italy l 傳 輸 區(qū) 電 場(chǎng) 的 優(yōu) 化 Etransfer 對(duì) 于 兩 層 GEM監(jiān) 測(cè) 器 而 言 ， 傳 輸 區(qū) 電 場(chǎng) 既 影 響 上 層 GEM的 電 子 出 孔系 數(shù) ， 同 時(shí) 也 影 響 下 層 GEM的 電 子 入 孔 系 數(shù) 。 兩 層 GEM間 的 傳 輸 區(qū) 電 場(chǎng) 需 要 綜 合 考 慮 ， 使 得 上 下 兩 層 GEM的 總 增益 （ 兩 者 乘 積 ） 最 高 。GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 增 益 漂 移 區(qū) 電 場(chǎng) 13kV/cm時(shí) ， 可 以 得 到 較 大 的入 孔 系 數(shù) （ 約 100%） 。較 大 的 收 集 區(qū) 電 場(chǎng) 可 以 得 到 較 大 的 出 孔 系 數(shù)（ 3kV/cm。uGEM監(jiān) 測(cè) 器 的 增 益 隨 著 CO2比 例 的 減 小 而 提 高 ， 隨 著 GEM膜 兩 端 電 壓 的 增 加 而 指 數(shù) 上 升 。uMonte-Carlo與 Microscopic 模 擬 方 法 得 到 GEM監(jiān) 測(cè) 器 的 增 益類 似 ， 但 Microscopic 模 擬 方 法 可 以 得 到 詳 細(xì) 的 雪 崩 電 子 信息 ， 以 下 模 擬 均 采 用 Microscopic 模 擬 方 法 。GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 增 益 11/22 GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 單 電 子l GEM監(jiān) 測(cè) 器 的 參 數(shù) Edrift=1kV/cm， Etransfer=3kV/cm， Einduct=3kV/cm vGEM1=vGEM2=380V Drift： transfer： induct=5:2:2 (mm)單 電 子 在 GEM監(jiān) 測(cè) 器 中 的 雪 崩 漂 移 現(xiàn) 象 ， 一 定 量 的 雪 崩 電 子 會(huì) 被 GEM膜 吸 收 。 12/22 GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 單 電 子l GEM監(jiān) 測(cè) 器 的 參 數(shù) Edrift=1kV/cm， Etransfer=3kV/cm， Einduct=3kV/cm vGEM1=vGEM2=380V Drift： transfer： induct=5:2:2 (mm) 電 子 雪 崩 位 置 電 子 終 止 位 置較 多 的 電 子 被 GEM2下 表 層 Cu膜 吸 收 。 13/22 GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 單 電 子l GEM監(jiān) 測(cè) 器 的 參 數(shù) Edrift=1kV/cm， Etransfer=3kV/cm， Einduct=3kV/cm vGEM1=vGEM2=380V Drift： transfer： induct=5:2:2 (mm)單 點(diǎn) 電 子 在 收 集 板 上 的 擴(kuò) 散 約 200m。 14/22 GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 單 電 子說(shuō) 明 vGEM的 改 變 對(duì) 電 子 的 位 置 、 時(shí) 間 擴(kuò) 散 無(wú) 明 顯 影 響 。l改 變 GEM兩 端 電 壓 ， 得 到 電 子 的 位 置 及 時(shí) 間 擴(kuò) 散 與 vGEM之 間 的 關(guān) 系 圖 。 15/22 GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 單 電 子l改 變 漂 移 區(qū) 電 場(chǎng) ， 得 到 電 子 的 位 置 及 時(shí) 間 擴(kuò) 散 與 Edrift之 間的 關(guān) 系 圖 。改 變 漂 移 區(qū) 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 ， 均 能 影 響 電 子 的 位 置 擴(kuò) 散 及 時(shí) 間 漲 落 。 16/22 l 使 用 GEANT4程 序 得 到 中 子 入 射 10B轉(zhuǎn) 換 層 后 產(chǎn) 生 的 與 7Li離子GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 中 子 （ 、 7Li）GEANT4設(shè) 置 ： 10B 0.1微 米 ， 入 射 熱 中 子 能 量 0.025eV 17/22(0.1m， 5) GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 中 子 （ 、 7Li）入 射 離 子 在 Pad上 的 響 應(yīng)將 每 個(gè) 讀 出 Pad上 收 集 的 電 子 數(shù) 填 入 二 維 譜得 到 入 射 離 子 在 Pad上 的 電 荷 響 應(yīng) 18/22Readout:5cmPad:5mm l 通 過(guò) 重 心 法 對(duì) 離 子 入 射 位 置 進(jìn) 行 計(jì) 算 ， 得 到 同 一 位 置 入 射離 子 位 置 分 布 譜l 中 子 從 Pad中 心 入 射 得 到 的 位 置 分 布 圖 （ Pad 5mm）GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 中 子 （ 、 7Li）x-y方 向 位 置 分 布 x方 向 位 置 分 布 19/22中 子 從 Pad中 心 入 射 ， 位 置 分 辨 約 150m。 5mmPad使 用 數(shù)字 讀 出 位 置 分 辨位 置 分 辨 隨 中 子入 射 位 置 變 化使 用 數(shù) 字 信 號(hào) 讀出 可 以 達(dá) 到 與 模擬 信 號(hào) 讀 出 相 似的 效 果GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 中 子 （ 、 7Li） 20/22 總 結(jié)u通 過(guò) 使 用 Garfield、 ANSYS模 擬 軟 件 ， 針 對(duì) GEM膜 的 入 孔 系數(shù) 、 出 孔 系 數(shù) 的 計(jì) 算 ， 給 出 了 GEM監(jiān) 測(cè) 器 的 漂 移 電 場(chǎng) 、 傳輸 電 場(chǎng) 、 收 集 電 場(chǎng) 的 優(yōu) 化 值 。u通 過(guò) 模 擬 單 電 子 的 漂 移 雪 崩 過(guò) 程 ， 給 出 GEM監(jiān) 測(cè) 器 的 增 益變 化 ， 以 及 雪 崩 電 子 的 漂 移 時(shí) 間 漲 落 和 最 終 的 位 置 擴(kuò) 散 情況 。u結(jié) 合 GEANT4給 出 了 在 GEM監(jiān) 測(cè) 器 中 的 中 子 位 置 分 辨 ， 并說(shuō) 明 5mmPad采 用 數(shù) 字 讀 出 方 式 是 可 行 的 。 21/22 22/22 改 變 Pad大 小 對(duì) 離 子 位 置 分 辨 的 影 響GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 中 子 （ 、 7Li） 8mm2mm 在 極 端 情 況 下 的 位 置 分 辨 ： 入 射 離 子 位 置 在 4個(gè) Pad之 間 的情 況 下 ， 以 及 Pad大 小 對(duì) 極 端 情 況 下 位 置 分 辨 的 改 善GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 中 子 （ 、 7Li） 5mm2mm GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 中 子 （ 、 7Li）31% 15%17% 19% 13% GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 中 子 （ 、 7Li）2%3% l Garfield讀 入 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 電 子 漂 移 及 雪 崩 模 擬GEM中 子 束 監(jiān) 測(cè) 器 的 模 擬 中 子 （ 、 7Li）原 初 電 離 電 子 分 布 雪 崩 電 子 終 止 位 置 分 布