涂硼GEM中子束监测器的模拟 王艳凤@高能物理研究所 wangyanfeng@ihep.ac.cn 1/22

contents 涂硼GEM中子束监测器的介绍 GEM膜性能的模拟 GEM中子束监测器的模拟 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（α、7Li） 2/22

涂硼GEM中子束监测器介绍 10B Readout n α 使用双层GEM对原初电离放大，整个信号宽度在200ns左右。 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

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 电场强度的分布（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膜孔内电场强度分布 GEM膜孔内中心点电场强度 电子产生雪崩倍增现象的阈值场强约11kV/cm 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） GEM监测器的增益 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380V GEM监测器的增益 不同的气体比例 Ar:CO2=70：30 Ar:CO2=95：5 不同的模拟方式 Microscopic Monte-Carlo 6/22

GEM中子束监测器的模拟—增益 GEM膜增益—入孔系数（ focus coefficient ） 漂移区长度 0.5cm，模拟使用不同的GEM膜电压 From Fan Shengnan @ Italy 电子入孔率只与Edrift/vGEM的比值有关。vGEM=380v，Edrift=1~3kV/cm 7/22

GEM中子束监测器的模拟—增益 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） From Fan Shengnan @ Italy 出孔率与vGEM无关，随Einduct (v/cm)增大，30%电子被GEM膜吸收。 8/22

GEM中子束监测器的模拟—增益 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。 From Fan Shengnan @ Italy 漂移区电场1~3kV/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（<70%）。 传输区电场可选用3kV/cm。 9/22

GEM中子束监测器的模拟—增益 GEM监测器的增益 Edrift=1kV/cm，Etransfer=3kV/cm，Einduct=3kV/cm Drift：transfer：induct=5:2:2 (mm) 不同气体比例与模拟方法对GEM监测器增益的影响 10/22

GEM中子束监测器的模拟—增益 根据模拟GEM膜的入孔系数、出孔系数等对增益的影响，得到GEM监测器电场优化值，Edrift=1~3kV/cm，Etransfer=3kV/cm，Einduct>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Microscopic 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。 11/22

GEM中子束监测器的模拟—单电子 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。 GEM监测器的参数 Edrift=1kV/cm，Etransfer=3kV/cm，Einduct=3kV/cm vGEM1=vGEM2=380V Drift：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 较多的电子被GEM2下表层Cu膜吸收。 GEM监测器的参数 Edrift=1kV/cm，Etransfer=3kV/cm，Einduct=3kV/cm vGEM1=vGEM2=380V Drift：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 单点电子在收集板上的扩散σ约200μm。 GEM监测器的参数 Edrift=1kV/cm，Etransfer=3kV/cm，Einduct=3kV/cm vGEM1=vGEM2=380V Drift：transfer：induct=5:2:2 (mm) 单点电子在收集板上的扩散σ约200μm。 14/22

GEM中子束监测器的模拟—单电子 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

GEM中子束监测器的模拟—中子（α、7Li） 使用GEANT4程序得到中子入射10B转换层后产生的α与7Li离子 GEANT4设置：10B 0.1微米，入射热中子能量0.025eV (0.1μm，5‰) 17/22

GEM中子束监测器的模拟—中子（α、7Li） 入射离子在Pad上的响应 Readout:5cm Pad:5mm 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

GEM中子束监测器的模拟—中子（α、7Li） 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） x-y方向位置分布 x方向位置分布 中子从Pad中心入射，位置分辨约150μm。 19/22

GEM中子束监测器的模拟—中子（α、7Li） 位置分辨随中子入射位置变化 5mmPad使用数字读出位置分辨 使用数字信号读出可以达到与模拟信号读出相似的效果 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

GEM中子束监测器的模拟—中子（α、7Li） 改变Pad大小对离子位置分辨的影响 8mm 2mm

GEM中子束监测器的模拟—中子（α、7Li） 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 5mm 2mm

GEM中子束监测器的模拟—中子（α、7Li） 31% 15% 19% 17% 13%

GEM中子束监测器的模拟—中子（α、7Li） 2% 3%

GEM中子束监测器的模拟—中子（α、7Li） Garfield读入数据进行电子漂移及雪崩模拟 原初电离电子分布 雪崩电子终止位置分布