GEM-TEPC电场模拟及增益分析方法研究

李春娟 张伟华 肖雪夫 王志强 刘毅娜

(中国原子能科学研究院,计量与校准技术重点实验室,北京102413)

GEM-TEPC电场模拟及增益分析方法研究

李春娟 张伟华 肖雪夫 王志强 刘毅娜

(中国原子能科学研究院,计量与校准技术重点实验室,北京102413)

为对现有组织等效正比计数器(TEPC)进行改进,使其满足高注量率辐射场测量,本实验室研制一套基于气体电子倍增技术(GEM)的宽量程TEPC。对GEM-TEPC来说,探测器的增益是其关键指标,施加在GEM电极上的电压、漂移区场强、收集区场强、灵敏区充入气体的成分、气压均影响探测器的有效增益。本工作通过ANSYS程序对GEM-TEPC的电场进行模拟计算,并对利用Garfield程序对其增益特性进行模拟的方法以及增益测量方法进行研究。

GEM-TEPC 电场 增益 ANSYS Garfield

1 引 言

微剂量学实验研究方法的基本出发点是使用一个组织等效气体体积来模拟一个正常密度的小生物组织体积。H.H.Rossi最早提出并使用正比计数器测量微剂量参数[1]。用于微剂量学量测量时,正比计数器的壁材料常选用组织等效塑料(A-150),空腔中充入组织等效气体,这一类正比计数器被称为组织等效正比计数器(TEPC)。

气体电子倍增技术(GEM)是20世纪90年代,由欧洲核子中心的F.Sauli等人发明的一种微结构气体探测器[2],该探测器具有高计数率、抗辐照、信号读出模式多样等优点。由于在高注量率辐射场测量时,常规TEPC,存在信号堆积现象,为解决这一问题,拓展现有TEPC的注量率测量范围,原子能院计量测试部张伟华等人将GEM应用于TEPC,制作成GEM-TEPC。

对GEM-TEPC来说,探测器的增益是其关键指标。GEM膜上下面的电压差对形成GEM的有效增益很重要,故需要深入研究GEM的电场特性。另外、漂移区场强、收集区场强,灵敏区充入气体的成分、气压均影响探测器的有效增益。本工作通过ANSYS[3]程序对GEM-TEPC的电场进行模拟计算,并对利用Garfield[4]程序对其增益特性进行模拟的方法以及增益测量方法进行研究。

2 装置介绍

基于GEM的气体探测器一般主要由漂移电极、GEM膜和PCB(印刷电路板)读出电极三层组成,如图1所示。标准GEM膜是双面覆铜且双锥形通孔呈均匀分布的聚酰亚胺(Kapton)膜,如图2所示。

其中Kapton膜厚度为50μm,铜箔厚度为5μm,双锥形孔间距140μm,孔表面直径70μm以及孔心直径50μm。目前使用的GEM膜大多是从欧洲核子中心(CERN)购买,也有个别实验室自制厚层GEM膜。当在上下两层铜箔上加一定电压,会在孔中形成很强的电场(＞100kV/cm),电子穿过小孔时在强电场的驱动下会在工作气体中倍增放大,放大后的电子在收集区的电场作用下继续向下漂移,最后被PCB收集。

将GEM应用于TEPC,其结构主要包括A150阴极板、GEM膜和,阳极板,用不同厚度的绝缘框隔出漂移区、收集区的距离。可通过电阻链分压供电的方式在漂移电极、GEM上下铜箔和读出电极上分别加上不同的电压,如图3所示。分压电阻值的设置需考虑使探测器获得合适的增益所需要的漂移区场强、收集区场强及GEM膜压差。

为保证探测器的组织等效性,漂移电极选用国际通用的A150组织等效塑料,壁厚满足带电粒子平衡要求。探测器内充组织等效气体,组织等效气体的选择须考虑到组织成分的性质、气体增益性质,以及气体成分和壁材料成分是否匹配。目前组织等效气体主要选用两种混合气体,一种混合气体以甲烷为主(64.4%CH4,32.5%CO2,3.1%N2);另外一种混合气体以丙烷为主(55%C3H8,39.6%CO2, 5.4%N2)。经过前期实验,基于丙烷的混合气体增益更高,选用基于丙烷的混合气体。

3 模拟软件平台介绍

由CERN开发研制的Garfield程序主要用来模拟多丝正比室、电离室等传统型气体探测器中的自由电子、离子与气体分子的相互作用。其主要运用内部的各种程序包模拟气体探测器的性能,每个程序包模块都有其特定的功能,如:CELL确定探测器的几何结构,并且可导入ANSYS软件模拟计算的三维电场值;GAS计算气体的属性,包括汤姆森系数、吸附系数、横向和纵向扩散系数、漂移速度随电场强度变化等情况;FIELD显示探测器的电场强度分布,而电势与电场图与探测器的参数设置有关;DRIFT模拟自由电荷的漂移雪崩;SIGNAL计算电极的感应电荷的大小等等。由于Garfield程序本身无法进行探测器的三维结构的构建,不能进行电场强度的模拟计算,在模拟电子漂移雪崩过程中,需要借助第三方软件来计算探测器内部电场强度的分布,常用的模拟计算电场强度的软件有ANSYS与Maxwell两种。本工作的电场场强均是由ANSYS软件计算。

ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场于一体的大型通用有限元分析软件,由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换。软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。

4 电场计算方法及结果

利用ANSYS软件对电场进行模拟计算主要包括三个步骤:

1)通过前处理模块创建物理环境,主要包括过滤图形界面、定义工作标题、指定工作名、定义单元类型及材料属性等;

2)通过分析计算模块建立三维几何模型,对每个几何单元赋予单元类型及材料特性,划分网格,加载电压及周期性边界条件,并对电场进行分析计算;

3)通过后处理模块进行画图,并导出数据结果。

由于GEM膜是周期性的重复单元,在建立三维几何模型时可以选取一个最小单元来构建。由于标准的GEM膜孔是双锥形,在构建过程中,需要四个部件才能构建一个GEM膜孔,即两个圆锥体以及两个圆筒,根据所选择的最小单元模块,用同样的方式构建其他的四个1/4孔,即可以在ANSYS软件中构建出最小单元模型。

计算中建立的三维几何模型如图4所示,网格划分情况如图5所示,在漂移区、GEM膜以及收集区的电压分别为100V,400V,100V时,电场及电势分布计算结果如图6至图7所示。可以看出,由于GEM微孔通道直径很小,漂移电极和读出电极之间的电力线在GEM微孔中密集产生高强度双极电场。

5 增益计算方法

将ANSYS计算的最小单元的电场强度计算结果导入Garfield软件,通过x-y平面周期平铺的方法构建整个标准GEM膜的电场及电势分布,在Garfield软件平台上依据CELL,GAS,FIELD以及DRIFT这几个程序包来进一步计算气体的性质,模拟带电粒子在探测器的电场作用下产生的电离电荷并追踪其雪崩和漂移的过程,模拟计算GEM-TEPC的增益特性。

GEM探测器的增益主要是由入孔系数、绝对增益、出孔系数三者共同决定的,而GEM膜的绝对增益随着GEM膜的上下两端电压差的增加而增大。GEM膜的电子入孔系数是由漂移电场与GEM膜压差的比值决定的,在满足GEM膜绝对增益的条件下,可以固定GEM膜的压差,进而根据电子的入孔系数得到漂移电场的优化值。

GEM膜的出孔系数与收集区电场和GEM膜压差有关,并且在很大程度上影响了孔中雪崩电子被阳极吸收的概率。在GEM孔内的一定范围内随机给定电子,统计不同收集区电场和GEM膜压差下电子的出孔系数。电子出孔系数通常不能达到100%,这主要是因为有部分电子被GEM膜下层的铜膜俘获。

灵敏区充入气体的成分、气压也会影响探测器的增益。探测器内充以丙烷为主(55%C3H8, 39.6%CO2,5.4%N2)的组织等效气体。实际使用时,气压由拟模拟组织的尺度以及探测器的灵敏体积决定[8],一般为0.1atm～0.5atm,模拟计算不同气压(0.1atm～0.4atm)时,GEM有效增益随GEM各电极上的电压的变化。

6 探测器增益测量方法

探测器漂移电极上设置的校准腔室置有241Am α源,利用其对探测器的增益进行测量,具体测量方法如下:设漂移区原初电离产生电子个数为Q1,到达阳极板收集到的电子个数为Q2,经过前放放大后测量到的脉冲信号幅度为V,Eα为α粒子在漂移区内的最大能量沉积,可由SRIM计算得到(在2μm软组织中的能量沉积为266keV),α粒子在组织等效气体中的电离功W约为(29～31)eV,计算中选取30eV,根据前放142PC的使用说明书,其反馈电容为0.15pF,则Q1由公式(1)计算得到,Q2由公式(2)计算得到,增益G由公式(3)计算得到。

通过实验测量及模拟计算相结合的方法,对探测器增益进行分析,可给出漂移区与收集区场强的参考值范围,为探测器分压电路的设置提供优化参数。

7 结束语

综上,通过ANSYS和Garfield程序相结合的方法对GEM-TEPC的电场及增益特性进行模拟研究是切实可行的,与通过实验对增益进行测量相结合,可给出漂移区与收集区场强的参考值范围,为探测器分压电路的设置提供优化参数,给出探测器合理的高压供电范围。本工作通过模拟计算给出了探测器电场分布,并对通过Garfield程序对探测器增益进行计算的方法进行研究,对增益的实验测量方法进行研究,为下一步对探测器增益进一步精细设计计算及实验测量,对探测器工作参数进行优化分析奠定了基础。

[1] Rossi H H,Zaider M.Microdosimetry and its applications [M].Springer,1996.

[2] SAULI F.GEM:Nucl Instr Meth A[M].1997:386～531.

[3] http://www.Ansys.com/[DB/OL].

[4] http://garfield.web.cern.ch/garfield/[DB/OL].

[5] 张伟华,王志强.组织等效正比计数器的测量原理和方法[J].剂量研究,2008(3):45～54.

Simulation of Three Dimension Distribufion of Electric Field in GEM-TEPC and Methods to Study of its Effective Gain

LI Chun-juan ZHANG Wei-hua XIAO Xue-fu WANG Zhi-qiang LIU Yi-na
(National Key Laboratory for Metrology and Calibration Techniques,China Institute of Atomic Energy,Beijing 102413,China)

To optimize the design of tissue-equivalent proportional counter(TEPC)and make it satisfy the measurement of radiation field with high fluence rate,we set up a TEPC based on a Gas Electron Multiplier(GEM).The effective gain is very important for GEM-TEPC,and the key factors affecting the effective gain are the voltage of GEM electrode,the drift area field,collected area field,the gas components filling into sensitive area and the gas pressure.Three dimension distribufion of electric field in GEM-TEPC were simulated with code ANSYS,and the way how to simulate the maximum safe gain of GEM-TEPC with code Garfield and the way how to measure the maximum safe gain were studied.

GEM-TEPC Electric field Effective gain ANSYS Garfield

1000-7202(2017)01-0072-04

O571.5

A

2017-02-17,

2017-02-24

李春娟(1981-),女,副研究员,硕士,主要研究方向:电离辐射计量技术。