基于复合结构的气体电子倍∗增器增益模拟和实验研究

张余炼1)2)3) 祁辉荣2)3)† 胡碧涛1)2)‡ 温志文1)2)3) 王海云2)3)4)欧阳群2)3) 陈元柏2)3) 张建2)3)

1)(兰州大学核科学与技术学院,兰州 730000)

2)(核探测与核电子学国家重点实验室,北京 100049)

3)(中国科学院高能物理研究所,北京 100049)

4)(中国科学院大学,北京 100049)

基于复合结构的气体电子倍∗增器增益模拟和实验研究

张余炼1)2)3) 祁辉荣2)3)† 胡碧涛1)2)‡ 温志文1)2)3) 王海云2)3)4)欧阳群2)3) 陈元柏2)3) 张建2)3)

1)(兰州大学核科学与技术学院,兰州 730000)

2)(核探测与核电子学国家重点实验室,北京 100049)

3)(中国科学院高能物理研究所,北京 100049)

4)(中国科学院大学,北京 100049)

(2017年3月16日收到;2017年4月24日收到修改稿)

气体电子倍增器(GEM)作为高性能的微结构气体探测器在高能物理相关领域内得到了广泛的研究和应用.其中增益是GEM探测器基本性能研究中的一个重要参数,该值的精确测量至关重要.增益的测量一般采用电流测量或者能谱测量方法,但均存在精度较低或者过程繁琐的问题,且无法精确测量低增益值.针对GEM探测器增益的精确测量,本文提出了一种由GEM探测器与微网结构气体探测器(MM)级联构成的复合结构探测器(GEM-MM).利用GEM-MM结构以相对方法实现GEM增益的精确测量.该方法既可以省去传统方法中复杂的电子学标定过程,同时不需要进行原初电离电子数的估算,保证了增益的精确测量,并且可以实现GEM低增益的测量.基于GEM-MM测量GEM增益的原理,本文首先对GEM-MM电荷输运过程进行了模拟研究,优化了合适的工作电压.比较了三种不同类型和配比工作气体下GEM增益模拟结果,并在Ar/iC4H10(95/5)气体中测量了单层GEM在3—24范围内的有效增益.不同Penning系数下GEM增益的模拟结果表明,Penning系数为0.32时GEM增益的模拟结果与实验测量结果符合得很好.由此可以确定一个大气压下的Ar/iC4H10(95/5)气体中,Penning系数为0.32±0.01.

气体电子倍增器,微网结构气体探测器,增益

1 引 言

气体电子倍增器(gas electron multiplier, GEM)[1]是一种高精度分辨的微结构气体探测器,由Sauli于1997年提出.此后,国内外对GEM开展了大量研究,促进了其在不同领域的应用[2].由于它所具有的高位置分辨率(＜70µm)[3]、优秀的能量分辨(10%)[4,5]、可以在高计数率下长时间稳定工作[6]以及易于制作安装的特性.GEM技术正在研究用于高能物理实验中,例如直线对撞机时间投影室(LCTPC)、紧凑型µ介子螺线管探测器(CMS)以及大型离子对撞机实验等[7-9].GEM膜是双面覆铜的聚酰亚胺(Kapton)膜,膜上刻蚀出贯穿的微孔结构(孔径70µm,孔间距140µm).在GEM膜两侧铜电极上加上合适的电压差,微孔内会形成高强的电场(30—50 kV/cm).一般以单层或者多层级联的GEM膜作为倍增电极,在膜的两侧设置漂移极和读出极,密闭在工作气体(一般为惰性以气体为主的混合气体)环境中构成探测器.单层GEM探测器结构如图1(a)所示.漂移极与GEM膜之间为漂移区,GEM膜与读出极之间为感应区.保持漂移区以及感应区电场方向与孔内电场方向相同.带电粒子在漂移区与气体介质电离产生的原初电离电子,在电场作用下向GEM微孔内运动,在孔内的强场中发生雪崩倍增.倍增后大量的电子离开GEM膜到达下一级的倍增电极或者被收集到读出电极,最终由读出电子学读出.为保证GEM的稳定性,单层GEM膜的增益通常在几十到几百左右,在实际应用中需要级联多层的GEM膜以获取高的增益.微网结构气体探测器(micro-mesh gaseous structure,MM)[10]是另外一种被广泛研究的微结构气体探测器,由Saclay实验室于1996年提出.MM探测器的结构较GEM更为简单,包括漂移极、读出极和金属丝网,如图1(b)所示.金属丝网与读出极之间的区域为雪崩区, MM工作时雪崩区电场强度约为30 kV/cm.原初电离电子产生于漂移极与金属丝网之间的漂移区,在电场作用下穿过金属丝网到达雪崩区.为保证雪崩区距离的均匀,金属微网与读出PCB之间为支撑柱结构.倍增后的电子被读出极收集读出.

图1 探测器结构示意图 (a)MM;(b)单层GEMFig.1.Diagram of the Micromegas and GEM detectors：(a)Micromegas detector;(b)single GEM detector.

气体探测器的增益即气体的放大倍数是探测器的一个重要参数.其中包括以各种方式(气体对电子的吸附以及GEM膜对电子的吸收等)损失从而未能被读出电极收集的电子.以GEM探测器为例,根据气体放大机制理论[11],在一定范围内, GEM的增益随极电压差的增大呈指数上升.通过增益与电压关系的测量可以确定优化的工作电压范围.传统方法通过对读出电极上平均电流的测量确定GEM的增益[12].例如在X射线入射时,产生的原初电离电子数、X射线计数率以及增益之间的乘积与读出电极上的电流大小成正比.该方案中需要精确测量电流大小,而通常电流是很小的.例如在55Fe X射线源照射下,电流通常约为nA量级.因此实现高精度的电流测量比较困难.实际测量中,此方法适用于在高通量的X光照下(例如X光机)的增益测量.还可以采用前置放大器加主放大器的方案实现电荷测量,但需要进行放大器的标定,确定其输出电压与输入电荷的关系.这两种方案都需要计算原初电离电子数.气体产生一对电子离子对所需的平均能量为气体的平均电离能(如氩气中约为26 eV),根据带电粒子在气体中的能量损失由实验测量得到.混合气体中的平均电离能为按气体体积百分比计算的平均值,因此根据平均电离能计算原初电离电子数会带来较大误差(氩气中为10%)[13].增益为电子经过GEM放大前后的电子数的比值,无论以何种方式测量增益,估算原初电离电子数带来的误差都是不可避免的问题.此外,由于测量电子学对信噪比的要求,GEM需要有较高的增益.这就导致在低增益下GEM增益的测量十分困难.

另外一种GEM增益的测量方案是利用GEM与其他电子放大结构级联实现的相对测量方法.对GEM与微条气体室(MSGC)级联[14],及GEM与平面微间隙探测器(PMGC)级联[15]的研究表明,级联后探测器总的增益显著低于GEM增益与MSGC或者PMGC增益的乘积.这是因为MSGC以及PMGC的阴极和阳极为同一平面上的左右结构,其阴极和阳极上不同的电压导致GEM与它们之间传输区电场不均匀,整体场强降低.导致GEM膜的电子出孔率降低,从而使级联探测器的增益显著下降.此外MSGC与PMGC的微电极附近电子倍增累积的空间电荷效应也是增益下降的一个重要原因.而且MSGC以及PMGC极易受到打火影响而损伤.为避免传统测量方法和相对测量方法的问题,本文介绍了一种GEM结合MM的复合结构(GEM-MM)测量GEM增益的方案.这种结构利用了GEM膜电子倍增放大与读出电极相互独立这一特性,将GEM膜级联于MM的金属微网与漂移电极之间(参见图1).因为位于读出极与GEM膜之间的MM微网为平面结构,且微网与读出极为上下结构.只需在微网上加合适的电压就可以实现对其两侧区域电场的控制.改变MM工作电压时,MM与GEM之间的传输区电场不受影响.通过优化GEM以及MM的工作电压,在GEM增益很低时(＜10)也可以容易地区分出MM的增益以及GEM的增益.而在MM中电子倍增发生在雪崩区的均匀空间内,空间电荷效应影响很小[16].因此GEM-MM结构较之前提出的GEM与其他探测器级联的结构有明显优势.尤其是在GEM增益较低情况下,通过增加MM的增益,采用相对方法能够有效地测量GEM增益并保证一定的测量精度. GEM-MM结构还可以降低打火率的同时提高MM的增益[17],研究表明这种复合结构有效地提高了整体探测器的增益,同等增益下显著降低了打火率,且没有出现GEM-MSGC以及GEM-PMGC结构中增益降低的现象.

下文中首先介绍利用有限元分析软件以及Gar field++程序对GEM-MM探测器的模拟研究结果;通过比较探测器中各部分区域场强及工作电压对电子在各个电极上的收集比例的影响,优化选择了GEM-MM合适的工作电压;同时模拟了GEM探测器在不同气体中的增益,并进行了比较;实验部分介绍了该方法测量GEM增益的原理以及实验测量装置,随后给出了GEM增益的实验测量结果以及误差分析,最后对GEM增益测量的实验结果与模拟结果进行了对比,并确定了Ar/iC4H10(95/5)气体的Penning系数.

2 模拟研究

2.1 建模及模拟方法

模拟采用的主要工具是Gar field++程序[18],它是对气体探测器精确模拟的专用程序.利用Gar field++可以计算并绘制静电场、电子和离子在气体中的运动以及计算读出电极上的感应信号.气体中电荷的运动依赖于探测器的电场配置,因此电场计算是Gar field++模拟研究的基础.但是Gar field++本身只能处理简单的二维电场的计算问题,针对微结构的GEM电场计算需要采用专用的电场计算软件.模拟中采用了开源的有限元分析和计算程序Gmsh[19]和Elmer[20].Gmsh可以进行探测器的几何建模和网格划分.GEM-MM结构的模型建立如图2(a)所示.漂移区距离为4 mm, GEM膜与金属网之间的传输区距离为1.4 mm.图2(b)所示为GEM探测器的模型,模拟中漂移区间距及感应区间距均为1 mm.Elmer通过读取Gmsh的网格划分进行电场的计算.由于模拟中探测器建模为选取的可重复小单元,电场计算时,边界条件的设置十分重要.合适的边界条件设定可以确保对电场计算结果在x和y方向重复时的准确性.在Gmsh对GEM-MM建模中,设置各个电极的表面为不同电压的边界条件.长方体单元的相对侧面设置为对称边界条件.

将电场计算的结果导入到Gar field++中,由其所提供的Magboltz接口定义探测器的工作气体.由于工作气体参数,如漂移速度、扩散系数、吸附系数以及倍增系数等对电子输运过程有重要的影响,利用Magboltz程序计算了气体的相关性质.由于这些气体参数依赖于电场大小,最后由AvalancheMicroscopic类提供的方法计算电子在气体中的输运过程时根据电子所处位置的电场大小考虑了气体参数的影响.Gar field++提供了ROOT接口,计算的结果保存为ROOT文件,进行相应的数据处理和分析.

模拟研究主要包括两方面的内容.首先是对电子在GEM-MM探测器中电荷输运过程的模拟,目的在于确定电子在GEM-MM中各个电极上的收集情况及其与GEM-MM探测器电场配置的关系.模拟中,电子随机放置在图2(a)所示的漂移区内,距离GEM膜上表面为0.5 mm.计算电子在不同的探测器电场配置下的漂移以及放大过程,统计5000次电子事例及其对应的所有倍增电子在探测器中的位置信息并保存为ROOT文件.对GEM增益的计算是模拟研究的第二个重要内容.在图2(b)所示模型的漂移区内距离GEM膜上表面为0.5 mm的平面上随机放置原初电子,在不同的GEM电压下模拟电子在经过GEM膜后的倍增数目.统计5000个原初电子分别对应的电子倍增数目分布,分析得到GEM的增益.模拟中工作气体设置为Ar/iC4H10(95/5)混合气体,温度为20°C,气压为1 atm.计算了GEM在三种不同类型和配比气体下的增益.

图2 (网刊彩色)使用Gmsh建立的探测器几何构型 (a)GEM-MM结构,自上至下为漂移极、GEM膜、金属丝网和读出阳极;(b)GEM探测器结构,包括漂移极、GEM膜和读出阳极.图中单位为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 模拟结果

2.2.1 电场计算

探测器中电子的运动与其所处的电场环境密切相关,因此对探测器的电场计算是后续模拟研究的基础,电场计算结果如图3所示.图3(a)为探测器在x-z平面的电场大小分布,为了更好地展示出GEM膜以及MM金属微网附近的电场结构,对传输区的距离做了调整.从图中可以看出,仅在GEM以及MM金属微网附近存在不均匀的电场.且这种不均匀的电场向GEM膜以及金属网的微孔聚拢,这一特性有利于提高电子的透过率.图3(b)为图3(a)所示平面内沿x=0的直线上电场大小的分布,横轴表示直线上距离最下方读出阳极的相对距离.从图中可见MM雪崩区、GEM微孔的高强电场以及感应区和漂移区的电场.GEM-MM结构中电场配置分别是漂移区场强(Ed),GEM工作电压(VGEM)、传输区场强(Et)以及MM工作电压(Vmesh).图3所示的电场计算结果对应的电场配置为：Ed=1 kV/cm,VGEM=300 V, Et=1.5 kV/cm,Vmesh=440 V.

图3(网刊彩色)由ANSYS计算的GEM-MM探测器电场强度 (a)在x-z平面的分布;(b)沿穿过GEM孔中心的直线路径上的分布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 电子透过率

模拟中电子由漂移区向GEM膜运动,经过GEM的雪崩放大后继续向MM传输,经过第二次倍增后被读出电极收集.该过程中电子有可能终止在其他电极或者气体介质内,而这一过程与探测器的电场配置相关.因此需要优化确定探测器电场配置以保证电子在读出电极上的收集效率.模拟中根据电子终止位置,确定出其最后是被探测器的哪一个电极所收集.探测器中电子在各个电极的收集情况与GEM-MM各部分电场(或工作电压)关系的模拟结果如图4所示,图中纵轴表示探测器中在各个电极上收集的电子数与总电子数(包括初始电子事例以及倍增产生的电子)的比值.图4(a)—图4(d)所示为分别改变四个电场变量中的Ed,VGEM,Et以及Vmesh,保持其他三个变量不变时电子在各个电极的收集情况随电场及电压的变化.如改变MM的工作电压Vmesh时,GEM膜上下表面以及漂移极的电压均随之改变,但保持传输区、漂移区两端以及GEM膜两侧电极压差不变,从而保持VGEM,Et以及Vmesh不变.四部分场强及电压分别设置为Ed=100 V/cm,VGEM=340 V,Et=100 V/cm及Vmesh=420 V.图中未给出电极上电子收集比例为零或者十分接近于零.

漂移区电场对电子输运影响较小,改变不同漂移场强,电子在各电极收集的比例基本保持不变,如图4(a)所示.GEM与MM的工作电压影响则非常明显,如图4(b)及图4(d)所示.当GEM工作电压升高保持传输区场强不变时,GEM膜内倍增电子的出孔率会相应降低,导致更多的电子被收集于GEM膜的下表面电极.在GEM-MM探测器中,为保持GEM膜对电子的出孔率不变,需要保持GEM的工作电压与传输区两侧的电压差的比例不变.即在改变GEM工作电压时,传输区电场也需要随之改变.MM工作电压越高,金属网对电子的透过率越高.由此可知,要提高电子的收集效率,MM需要工作在较高的工作电压下,而GEM工作电压不宜过高.图4(c)描述了传输区电场对电子收集比例的影响.在GEM工作电压为340 V时,传输区场强高于500 V/cm后,GEM的电子出孔率基本达到最大并保持恒定.

2.2.3 增 益

对GEM增益的模拟是研究的一个主要内容.由于Penning效应对增益有着一定的贡献,在Gar field++的模拟中以系数r描述了Penning效应带来的气体电离.r表示具有激发能高于气体电离能的激发态所引发的气体电离概率.在设定的Ar/iC4H10(95/5)混合气体中,r参考值选取为0.40[21].模拟中漂移区和感应区的场强分别是Ed=250 V/cm和Ei=1 kV/cm.GEM电子倍增对应的增益可以用Polya分布描述[22]

式中C0为常数;G0为单电子倍增分布的平均增益; θ是决定Polya分布方差的参数,其大小与能量超过电离阈值的电子比例有关.图5所示为GEM电压为300 V时,5000个电子经过GEM膜倍增后电子数量分布的模拟结果.红色线为按照(1)式拟合的结果,可以看出Polya分布可以很好地描述GEM的增益.

图5 模拟计算Ar/iC4H10(95/5)混合气体中GEM单电子倍增数分布,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.

但是当GEM电压较低时,模拟中发现增益并不能用Polya很好地描述.图6是GEM电压为150 V时,5000个电子经过GEM膜倍增后总的电子数量分布模拟结果.此时倍增电子数分布没有Polya分布中明显的最大值,这时用指数分布描述更为合适[23],

式中C1为常数.图6所示的拟合结果中Slope= -1/G0,其中G0为单电子倍增后的平均增益.

图6 模拟计算Ar/iC4H10(95/5)混合气体中GEM单电子倍增数分布,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.

模拟中对GEM的总增益和有效增益做了区分.总增益(G)即每个电子发生雪崩后的总电子数,其中包括以各种方式(气体对电子的吸附以及GEM膜结构对电子的吸收等)损失从而未能被读出电极收集的电子.有效增益(Geff)则指原初电子经GEM膜倍增后到达读出电极的电子数,不包括在到达读出电极之前损失掉的电子.图5及图6所示为总增益,本文中实验部分增益均为有效增益,模拟中提到的增益除特别指出外,也指有效增益.模拟的GEM单电子增益分布在不同的GEM电压下采取了不同的拟合方式(指数拟合以及Polya拟合).从单电子倍增数分布中直接获取平均值也可以得到增益.Ar/iC4H10(95/5)气体中GEM增益的模拟结果列于表1.从结果来看,总增益与有效增益区别较大,这主要是由GEM膜(包括两侧金属电极以及中间Kapton膜)对电子的吸收造成的.模拟给出了Ar/iC4H10(95/5), Ar/CO2(90/10)(r=0.452)以及Ar/CO2(70/30) (r=0.57)[24]混合气体中的增益特性,结果如图7所示.从图中可以看出,在GEM相同工作电压下,Ar/iC4H10(95/5)较其他两种气体具有最高增益,且与GEM工作电压之间表现出很好的指数相关性.GEM增益的实验测量中,选取了Ar/iC4H10(95/5)工作气体.

表1 Ar/iC4H10(95/5)(r=0.40)混合气体中GEM增益模拟结果Table 1.Total gain and e ff ective gain of GEM simulation in the Ar/iC4H10(95/5)with r=0.40.

图7 (网刊彩色)不同气体中GEM增益与GEM工作电压关系的模拟结果,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 测量原理与实验装置

3.1GEM-MM结构和增益测量原理

GEM-MM的结构如图8所示,自上而下为漂移极、GEM膜、金属丝网和读出阳极.GEM膜为欧洲核子中心提供的标准结构GEM.MM为与Saclay实验室合作的基于Bulk工艺的探测器,其雪崩区间距为128µm.金属丝网丝径22µm,丝间距40µm.漂移区和传输区间距分别为4和1.4 mm.

图8GEM-MM测器结构示意图Fig.8.The schematic diagram of GEM-MM detector.

实验采用的工作气体为氩基混合气体(Ar/iC4H10(95/5)). 光电效应是能量EX为5.9 keV的55Fe X射线与氩原子相互作用的主要物理过程.发生光电效应时,光子与氩原子内层电子或束缚电子发生相互作用,其能量被完全吸收,用于电离或者激发氩原子.电离过程中,获得能量的电子发射出来成为自由电子(光电子).发射特征X射线能量为

式中EK和EL分别为K和L壳层电子的结合能.另外一种方式为发射俄歇电子,这两种过程同时存在.光电效应过程中产生的所有电子(包括光电子和俄歇电子)由于能量较低,其能量全部沉积在探测器的气体介质中.因此在实验测量的能谱中存在一个与俄歇电子发射相对应的X光子能量全部沉积形成的全能峰,以及特征X射线过程相对应的逃逸峰.

X射线由探测器上方的入射窗进入工作气体内.5.9 keV X射线在厚度为4 mm的氩气中的转换效率约13%[25],部分光子在漂移区沉积能量,还有部分光子在传输区与气体发生相互作用.因此在漂移区和传输区都会产生光电子.漂移区产生的光电子在电场的作用下经过GEM膜和MM两级的倍增放大,最终在读出极收集为Nt1.而在传输区产生的光电子只经过MM一级的放大,最后被收集在读出极上为Nt2.因此,实验测量得到的55Fe能谱包含有两组全能峰和逃逸峰.设GEM膜和MM的增益分别为Geff和Gmm,GEM-MM的增益为Ggem-mm,则有

由此,GEM的增益可表示为

而读出极收集的电荷量正比于多道的道数,因此

式中CH1和CH2分别为漂移区和传输区光子能量沉积对应的多道的道数,GEM膜的增益测量就转换为多道道数比值的测量,无需电子学的标定以及对原初电离电子数的估算.

3.2 实验装置

增益测量实验装置如图9所示.整体的GEMMM探测器有效面积为50 mm×50 mm,读出电极为面积为50 mm×50 mm的单个Pad.MM雪崩区的倍增电子在金属网和读出阳极感应出大小相等极性相反的信号,因而从两个电极都可以进行测量.但是实验测量中发现,若从阳极读出,由于金属丝网电极高压端需要加保护电阻,而保护电阻会使得阳极读出的信号远小于不接保护电阻时的信号.此外由于所使用的电荷灵敏前置放大器输入端存在隔直电容,因此阳极读出时还需要加接地电阻,以利于电荷泄放,避免探测器工作不稳定.鉴于此,在只有单个读出单元的GEM-MM探测器测试中,采取了Pad接地,从金属丝网读出信号的方式.其余电极采用了CAEN N471型高压插件提供高压,信号读出前端采用ORTEC 142IH电荷灵敏型前置放大器,主放为ORTEC 572 A,成形时间设置为1µs.数据最后由ORTEC ASPEC927多道分析器收集.射线源活度为5mCi的55Fe X放射源.采用流气式工作模式,气流量为30mL/min.

图9 复合结构探测器实物图Fig.9.Photos of the GEM-MM detector in lab.

4 测量结果分析

4.1 能谱测量

读出Pad上的感应电荷,经过前置放大器和主放大器放大成形后,由多道分析器采集.图10为GEM-MM探测器的能谱测量结果.GEM和MM的工作电压分别为240和370 V,随漂移区和传输区场强分别为300和625 V/cm.从图中可以明显地看到四个峰位,前两个分别为传输区光子事例的逃逸峰和全能峰,后两个则分别对应漂移区光子事例的逃逸峰和全能峰.图中同时给出了高斯拟合的结果,拟合后可确定出全能峰对应的多道的道值及其误差.利用传统的增益测量方法,可以确定出MM和GEM-MM探测器的增益.GEM的增益根据(7)式由能谱直接测量得到.即分别拟合出两个全能峰的道值,后面道数与前面道数的比值就是GEM的增益.

图10(网刊彩色)GEM-MM55Fe放射源X射线能谱测量图 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.

采用相对方法测量GEM增益误差来源于对两个全能峰峰位的测量.如图10所示,对GEM-MM对应的全能峰和MM对应的全能峰分别做高斯拟合后,平均值为所得峰位取高斯拟合的标准差为峰位测量的误差(分别为σCH1.在图10所示的能谱测量中,利用拟合结果可得GEMMM相对方法测量GEM增益的相对误差为

另一方面,传统增益测量方法中,由原处电离电子计算带来的误差主要来源于平均电离能的误差σw、刻度电子学σe的误差以及能谱测量的误差σch.总的误差可表示为

由文献给出的平均电离能误差,在混合气体中,平均电离能的计算误差可由单一气体的计算误差得到,在Ar-iC4H10混合气体中为14%;σe小于1%, σch即为(8)式中σCH1.由此可见,采用相对方法测量更加精确.

4.2 增益测量

GEM-MM探测器的增益与GEM和MM的工作电压直接相关.此外漂移区和传输区的场强同样会对增益有影响.实验中首先测量了增益随漂移区和传输区场强的变化关系,结果如图11所示.图中增益为GEM-MM的增益,通过传统方法测量得到.

优化测量中,MM和GEM的工作电压分别保持在VMM=370 V和VGEM=240 V.首先传输区的场强固定在Et=625 V/cm,测量了增益随Ed的变化,如图11(a)所示.从图中可以看出,随着漂移区场强的增加,增益先增大后减小.这是因为在漂移区场强较低时,电离电子不能完全进入到GEM中得到放大,有相当一部分的电子在漂移区被吸收.随着电场强度的增加,电离电子到达GEM膜的比例达到最大值.但是当漂移区电场强度进一步增大时,电子被收集到GEM膜上表面电极的比例增加,从而导致增益下降.优化选取Ed=300 V/cm.随后Ed保持300 V/cm不变,测量增益随传输区场强变化关系,如图11(b)所示.随着Et的增加,增益呈现出先增大后减小的变化.原因是MM金属丝网对电子的透过率随着传输区场强的增加是先升高后降低的.优化选取最大增益处Et=625 V/cm,据此确定GEM电压与漂移区两侧电压差的比值以及传输区两侧压差分别与VGEM及VMM的比值.优化工作电压后,在后续增益测量中,改变GEM或MM工作电压时,保持Et和Ed同比例变化,以保证GEM-MM最大的电子透过率.

图11 GEM-MM测量增益 (a)随漂移区场强变化,VGEM=240 V,VMM=370 V,Et=625 V/cm;(b)随传输区场强变化,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.

图12 探测器测量增益 (a)随GEM工作电压的变化,VMM=370 V;(b)随MM工作电压的变化,VGEM= 240 V;Ed及Et随GEM或MM工作电压按比例变化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.

根据能谱测量结果,进行了GEM-MM增益与GEM和MM工作电压关系的测量,结果图12所示.其中GEM增益根据能谱中全能峰道值直接得到, GEM-MM探测器的增益和MM的增益采用传统方法经过电子学的标定测量得到.

5 测量结果与模拟结果对比

利用Gar field++计算的Ar/iC4H10(95/5)气体中GEM增益与利用GEM-MM复合结构采用相对方法测量的GEM增益进行了对比,结果如图13所示.图中Geff( fi tted mean)为采用拟合方法获取的增益,Geff(mean)表示增益分布直方图的平均值.

图13 (网刊彩色)GEM增益随工作电压变化的模拟与实验测量结果比较Fig.13.(color online)Comparison of GEM gain simulation and measurement results.

模拟的有效增益结果与GEM电压的关系如图13所示,可以看出增益越低,模拟中采用取平均值和拟合得到的增益二者结果差别越大.尤其是在增益较低时(小于5),增益与GEM电压的关系偏离指数关系.这是因为在GEM工作电压较低时,有很大一部分的电子经过GEM膜后没有发生倍增,且会大概率地被GEM膜所收集.从而导致了有效增益小于1,拟合方法得到的结果会有较大偏差.因此在增益的模拟中,在GEM增益较低时取单电子增益分布的平均值作为平均增益更为合适.图中红色三角符号标识为GEM增益实验测量结果,蓝色三角符号标识为r=0.40时增益的模拟结果,可以看到模拟增益较测量结果偏高.这是因为文献[21]中只给出了Ar/iC4H10(90/10)气体中Penning系数的取值(r=0.40),而实验中工作气体为Ar/iC4H10(95/5).于是进行了不同r取值的增益计算,图中黑色标识的实心圆点为r=0.32时的增益模拟结果,可以看到模拟的增益结果与实验测量结果基本一致.通过对Penning系数取值的进一步微调,当r=0.32±0.01时模拟的增益值在实验测量1σ的误差范围之内.由此得到Ar/iC4H10(95/5)混合气体中(一个大气压),Penning系数取值为r=0.32±0.01.

6 结 论

本文提出了一种由GEM与MM级联构成的复合结构探测器GEM-MM.GEM与MM级联的方案较之前的与PMGC以及MSGC级联方案有明显的优势.在该结构探测器的能谱测量中可以清楚地区分GEM和MM对整体增益的贡献.在55Fe X射线入射时,测量的能谱中出现两个全能峰及逃逸峰,两个全能峰的比值即为GEM的有效增益.适当增加MM的增益后,以这种相对方法可以实现GEM低增益的测量.此外这种方法测量GEM的增益避免了对电子学繁杂的标定过程,且无需进行原初电离电子数的估算.模拟研究中确定了其合适的工作电压以及工作气体.实验中研制了GEMMM探测器,并在Ar/iC4H10(95/5)混合气体中进行了GEM增益的相对方法测量.得到了GEM在3—24范围内的有效增益.实际上,单层GEM增益为20时,三层GEM级联探测器的总增益为6000.这正是三层GEM级联探测器的通常工作增益,本文中测量的单层GEM增益范围包含了多层GEM级联探测器的通常工作增益范围.高的探测器增益是为了在电子学噪声水平较高时提高信噪比,而对于低噪声水平的电子学,较低的探测器增益就能满足信噪比的要求.因此低GEM增益的测量对于低噪声水平的电子学设计具有重要的参考意义.在GEM和MM的工作电压分别为220和370 V时,这种方法测量GEM增益的相对误差为14.96%.这一误差小于传统增益测量方法的测量误差,因而更加精确.结合实验测量结果与模拟研究,通过调整Penning系数获得与实验测量GEM增益相符的结果,确定了Ar/iC4H10(95/5)气体中的Penning系数为0.32±0.01.基于本文的研究工作,下一步会开展对Ar-CF4-iC4H10(95：3：2)(所谓的T2K气体)以及其他工作气体Penning系数以及多层级联GEM增益精细测量的研究.

感谢清华大学工物系高原宁教授对复合结构气体探测器研制中的支持以及对于本文写作的中肯建议;感谢法国原子能研究院CEA-Saclay气体探测器组负责人Roy教授对微网结构气体探测器研制和研究工作的帮助及支持;感谢中国科学院高能物理研究所苑长征研究员和唐光毅博士对本文写作的建议.

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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

∗国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项(批准号：2016YFA0400400)、国家自然科学基金(批准号：11675197)和中国科学院高能物理研究所创新基金资助的课题.

†通信作者.E-mail：qihr@ihep.ac.cn

‡通信作者.E-mail：hubt@lzu.edu.cn

©2017中国物理学会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