《涂硼GEM中子束监测器的模拟》王艳凤-中国科学院高能物理研究所.ppt

1、涂硼GEM中子束监测器的模拟,王艳凤高能物理研究所,,1/22,contents,涂硼GEM中子束监测器的介绍GEM膜性能的模拟模型的建立（ANSYS）场强的分布（Garfield）GEM中子束监测器的模拟增益单电子中子（、7Li）,2/22,涂硼GEM中子束监测器介绍,使用双层GEM对原初电离放大，整个信号宽度在200ns左右。,使用10B作为转换层，实时的监测中子束流强度，为后续探测器提供归一化参数，减小实验误差。,3/22,GEM膜性能的模拟,模型的建立（ANSYS）根据GEM膜的几何特征，构建最小单元格。通过有限元分析方法计算探测器中电磁场的分布情况。,电势,场强,4/22,电场强度的

2、分布（Garfield）模拟气体探测器的性能，计算粒子在探测器中产生的电离电荷并且追踪其雪崩和漂移过程。,GEM膜性能的模拟,电子产生雪崩倍增现象的阈值场强约11kV/cm,GEM膜孔内电场强度分布,GEM膜孔内中心点电场强度,5/22,GEM中子束监测器的模拟增益,GEM膜增益 GEM增益=（入孔系数GEM绝对增益出孔系数）入孔系数：漂移电子进入GEM孔概率出孔系数：GEM孔中电子被收集概率绝对增益：GEM绝对增益随两面电极电压升高而升高，目前实验采用电压为380VGEM监测器的增益不同的气体比例Ar:CO2=70：30Ar:CO2=95：5不同的模拟方式MicroscopicMonte-C

3、arlo,6/22,GEM中子束监测器的模拟增益,GEM膜增益入孔系数（ focus coefficient ）从漂移区一定范围内随机漂移电子，统计不同电压设置下电子进入GEM孔的数量，得到入孔效率漂移区长度 0.5cm，模拟使用不同的GEM膜电压,电子入孔率只与Edrift/vGEM的比值有关。vGEM=380v，Edrift=13kV/cm,7/22,From Fan Shengnan Italy,GEM膜增益出孔系数（ extract coefficient ）GEM孔中电子被阳极收集概率（induct area 0.2cm）,GEM中子束监测器的模拟增益,出孔率与vGEM无关，随Ein

4、duct (v/cm)增大，30%电子被GEM膜吸收。,8/22,From Fan Shengnan Italy,传输区电场的优化Etransfer对于两层GEM监测器而言，传输区电场既影响上层GEM的电子出孔系数，同时也影响下层GEM的电子入孔系数。两层GEM间的传输区电场需要综合考虑，使得上下两层GEM的总增益（两者乘积）最高。,GEM中子束监测器的模拟增益,漂移区电场13kV/cm时，可以得到较大的入孔系数（约100%）。较大的收集区电场可以得到较大的出孔系数（3kV/cm。GEM监测器的增益随着CO2比例的减小而提高，随着GEM膜两端电压的增加而指数上升。Monte-Carlo与Mic

5、roscopic 模拟方法得到GEM监测器的增益类似，但Microscopic 模拟方法可以得到详细的雪崩电子信息，以下模拟均采用Microscopic 模拟方法。,GEM中子束监测器的模拟增益,11/22,GEM中子束监测器的模拟单电子,GEM监测器的参数Edrift=1kV/cm，Etransfer=3kV/cm，Einduct=3kV/cmvGEM1=vGEM2=380VDrift：transfer：induct=5:2:2 (mm),单电子在GEM监测器中的雪崩漂移现象，一定量的雪崩电子会被GEM膜吸收。,12/22,GEM中子束监测器的模拟单电子,GEM监测器的参数Edrift=1k

6、V/cm，Etransfer=3kV/cm，Einduct=3kV/cmvGEM1=vGEM2=380VDrift：transfer：induct=5:2:2 (mm),电子雪崩位置,电子终止位置,较多的电子被GEM2下表层Cu膜吸收。,13/22,GEM中子束监测器的模拟单电子,GEM监测器的参数Edrift=1kV/cm，Etransfer=3kV/cm，Einduct=3kV/cmvGEM1=vGEM2=380VDrift：transfer：induct=5:2:2 (mm),单点电子在收集板上的扩散约200m。,14/22,GEM中子束监测器的模拟单电子,说明vGEM的改变对电子的位置

7、、时间扩散无明显影响。,改变GEM两端电压，得到电子的位置及时间扩散与vGEM之间的关系图。,15/22,GEM中子束监测器的模拟单电子,改变漂移区电场，得到电子的位置及时间扩散与Edrift之间的关系图。,改变漂移区电场强度，均能影响电子的位置扩散及时间涨落。,16/22,使用GEANT4程序得到中子入射10B转换层后产生的与7Li离子,GEM中子束监测器的模拟中子（、7Li）,17/22,(0.1m，5),GEM中子束监测器的模拟中子（、7Li）,入射离子在Pad上的响应,将每个读出Pad上收集的电子数填入二维谱得到入射离子在Pad上的电荷响应,18/22,Readout:5cmPad:5

8、mm,通过重心法对离子入射位置进行计算，得到同一位置入射离子位置分布谱中子从Pad中心入射得到的位置分布图（Pad 5mm）,GEM中子束监测器的模拟中子（、7Li）,x-y方向位置分布,x方向位置分布,19/22,中子从Pad中心入射，位置分辨约150m。,5mmPad使用数字读出位置分辨,位置分辨随中子入射位置变化,使用数字信号读出可以达到与模拟信号读出相似的效果,GEM中子束监测器的模拟中子（、7Li）,20/22,总结,通过使用Garfield、ANSYS模拟软件，针对GEM膜的入孔系数、出孔系数的计算，给出了GEM监测器的漂移电场、传输电场、收集电场的优化值。通过模拟单电子的漂移雪崩

9、过程，给出GEM监测器的增益变化，以及雪崩电子的漂移时间涨落和最终的位置扩散情况。结合GEANT4给出了在GEM监测器中的中子位置分辨，并说明5mmPad采用数字读出方式是可行的。,21/22,谢谢！,22/22,改变Pad大小对离子位置分辨的影响,GEM中子束监测器的模拟中子（、7Li）,8mm,2mm,在极端情况下的位置分辨：入射离子位置在4个Pad之间的情况下，以及Pad大小对极端情况下位置分辨的改善,GEM中子束监测器的模拟中子（、7Li）,5mm,2mm,GEM中子束监测器的模拟中子（、7Li）,31%,15%,17%,19%,13%,GEM中子束监测器的模拟中子（、7Li）,2%,3%,Garfield读入数据进行电子漂移及雪崩模拟,GEM中子束监测器的模拟中子（、7Li）,原初电离电子分布,雪崩电子终止位置分布,