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Micromegas物理模拟与实验研究

作　者: 郭军军
导　师: 汪晓莲
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 粒子物理与原子核物理
关键词: Micromegas 性能 3D模拟实验对比
分类号: O572.212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

Micromegas(MICRO MEsh GAseous Structure)是上世纪末九十年代中期在法国Saclay发展的一种气体探测器。Micromegas是一种平行板电极结构的气体探测器。由漂移区和放大区以及读出电极三部分组成,用丝网把漂移区和放大区隔开,漂移区一般为3～10mm,放大区为100μm量级。很高计数率能力(～108mm-2.s-1),良好的空间分辨能力以及很好的抗辐照性能,使Micromegas在高亮度X射线探测和成像方面具有独特的优势。且结构简单,易于加工成大面积,易于工业生产,造价低廉。被广泛应用于粒子物理实验,比如粒子径迹追踪、时间投影室(TPC)、中子或X射线成像等。该论文围绕新型气体探测器Micromegas的基本性能研究,从两个方面展开详细的分析和研究:三维物理模拟和实验研制测试。我们采用Maxwell 3D电场计算软件与Garfield模拟软件相结合,对Micromegas物理性能进行模拟研究,主要做了以下几方面工作:在Maxwell三维模型模拟研究中,首次采用圆柱形模拟编织丝网的金属线,该模型更接近金属网丝,使模拟结果与实验更加符合。研究了气体漂移速度,扩散系数和汤生系数等气体参数。在Argon90%+Isobutane10%的混合气体中,漂移极电压为-510V,雪崩极电压为-490V,仅考虑扩散系数影响的空间分辨δ为180μm。雪崩区电场线基本终止在雪崩极丝网上,雪崩产生的大量正离子沿电场线漂移到雪崩极丝网,被丝网吸收,所以Micromegas有较高的计数能力。原初电子透过率的模拟主要研究了雪崩区与漂移区电场比对电子透过率的影响。对丝径为20μm-30μm丝网,雪崩区与漂移区电场比大于200时,电子透过率进入坪区。通过对50×50μm2和60×60μm2单元丝网正方体模型不同丝径参数结构对比发现:丝网的丝径越小,电子透过率越大。增益的MC模拟结果得到,在气隙间隔为60~80μm左右时增益会达到极大值,所以Micromegas雪崩区间隙一般选取50~100μm,在此范围的间隙均匀性误差对增益并不会有大的影响。此外,还模拟研究了感应信号,感应电流信号的大小主要由原初电子在漂移区漂移和在雪崩区的雪崩放大决定。通过简单电荷灵敏放大器的Pspice信号模拟处理得到与实验示波器观测基本一致的结果。通过模拟研究深入理解了Micromegas的工作原理,对实验中气体成份的选择,雪崩极丝网参数,具体结构的选择提供了有益的参考。我们在前期实验的基础上,完整总结了鱼线隔开雪崩区小尺寸Micromegas的制作工艺,使用500目斜纹丝网作为探测器雪崩极,采用丝径为120μm鱼线作为雪崩区间距隔开。为提高粒子的探测效率,采用350目平纹丝网作为Micromegas漂移极。实验集中研究了增益均匀性、电子透过率、气体增益和能量分辨率等性能。在实验中固定雪崩极电压,通过改变漂移极的电压,测试了原初电子透过率,与三维的模拟结果一致。通过两组不同雪崩极电压实验的比较,发现电子透过率的改变与雪崩极所加电压无关,主要的影响因素是雪崩区与漂移区的电场比。测量了不同气体成分中全能峰峰位随不同电场比的变化,发现当Isobutane比例减少时,随着电场比的增加,混合气体对原初电子复合效应的影响逐渐减少。通过不同混合气体增益的测量,详细研究了在气体探测器中的彭宁效应,模拟计算了不同混合气体成分彭宁效应的准确百分比。通过对不同气体成分下漂移极高压变化时能量分辨率的测试,发现在增益最大时,由于漂移区的电场较低,复合效应引起的原初电子数目统计涨落,能量分辨率并不是最佳。当Isobutane比例减少时,随着电场比的增加,漂移区电场强度较低,电子复合效应影响减少,最佳能量分辨率的雪崩区与漂移区电场比的坪区范围增大,同时也改善了最大增益时的能量分辨率。初步测试了热压膜作为雪崩区间距工艺的Micromegas性能,对5.9keV X射线全能峰的能量分辨率达到22%,这是一种有研究价值的新工艺。目前有待进一步研究的主要问题是雪崩区均匀性改善,Bulk Micromegas制作工艺研究,为以后X射线成像实验做准备。争取早日做出有实用价值的Micromegas,性能指标达到国内外水平并有所创新,为我国第三代同步辐射光源以及散裂中子源的科学应用,提供重要的探测和记录手段。Micromegas的推广和应用,将为医学、工业的射线成像提供一种崭新的高计数能力、高空间分辨的像素探测器。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第1章 MICROMEGAS 介绍  10-16
  1.1 MICRO PATTERN GAS DETECTOR 发展  10-13
    1.1.1 MSGC  10-11
    1.1.2 MGC  11-12
    1.1.3 GEM  12-13
  1.2 MICROMEGAS 结构  13
  1.3 MIROMEGAS 制作工艺  13-14
  1.4 MICROMEGAS 性能优点  14-16
第2章 MICROMEGAS 的3D 模拟  16-36
  2.1 3D 模型建立  16-20
    2.1.1 Maxwell 软件简介  16
    2.1.2 有限元方法  16-17
    2.1.3 Micromegas 3D 模型  17-20
  2.2 GARFIELD 气体探测器模拟软件介绍与安装  20
  2.3 电场模拟  20-21
  2.4 气体参数的模拟  21-24
  2.5 原初电离模拟  24-26
    2.5.1 cluster 分析  24-25
    2.5.2 原初电离电子漂移扩散  25-26
    2.5.3 原初电离数  26
  2.6 原初电子透过率  26-29
  2.7 增益  29-30
  2.8 感应信号  30-34
    2.8.1 感应电流的模拟  30-32
    2.8.2 感应电流前放处理  32-34
  2.9 总结  34-36
第3章 MICROMEGAS 研制改进  36-40
  3.1 MICROMEGAS 材料准备  36-37
  3.2 MICROMEGAS 研制  37-40
第4章 MICROMEGAS 实验研究  40-57
  4.1 测试系统介绍  40-42
  4.2 间隙均匀性测试  42-43
  4.3 电子透过率研究  43-46
  4.4 不同气体成分下增益对比  46-50
    4.4.1 电子学刻度  46
    4.4.2 增益测试  46-48
    4.4.3 彭宁效应研究  48-50
  4.5 不同气体成分下能量分辨率研究  50-54
  4.6 热压膜工艺MICROMEGAS 的初步研究  54-55
  4.7 总结与讨论  55-57
第5章总结与展望  57-59
参考文献  59-61
致谢  61

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