（粒子物理與原子核物理專業(yè)論文）micromegas物理模擬與實驗研究.pdf

摘要 摘要 m i c r o m e g a s ( m i c r om e s hg a s e o u ss t r u c t u r e ) 是上世紀末九十年代中期在 法國s a c l a y 發(fā)展的一種氣體探測器。m i c r o m e g a s 是一種平行板電極結構的氣體 探測器。由漂移區(qū)和放大區(qū)以及讀出電極三部分組成，用絲網把漂移區(qū)和放大區(qū) 隔開，漂移區(qū)一般為3 1 0 m m ，放大區(qū)為l o o p a n 量級。很高計數率能力( 1 0 8 m m 五s 。1 ) ，良好的空間分辨能力以及很好的抗輻照性能，使m i c r o m e g a s 在高 亮度x 射線探測和成像方面具有獨特的優(yōu)勢。且結構簡單，易于加工成大面 積，易于工業(yè)生產，造價低廉。被廣泛應用于粒子物理實驗，比如粒子徑跡追 蹤、時間投影室( t p c ) 、中子或x 射線成像等。 該論文圍繞新型氣體探測器m i c r o m e g a s 的基本性能研究，從兩個方面展開 詳細的分析和研究：三維物理模擬和實驗研制測試。 我們采用m a x w e l l3 d 電場計算軟件與g a r f i e l d 模擬軟件相結合，對 m i c r o m e g a s 物理性能進行模擬研究，主要做了以下幾方面工作：在m a x w e l l 三 維模型模擬研究中，首次采用圓柱形模擬編織絲網的金屬線，該模型更接近金屬 網絲，使模擬結果與實驗更加符合。研究了氣體漂移速度，擴散系數和湯生系數 等氣體參數。在a r g o n 9 0 + i s o b u t a n e l 0 的混合氣體中，漂移極電壓為5 1 0 v ， 雪崩極電壓為4 9 0 v ，僅考慮擴散系數影響的空間分辨6 為1 8 0 p m 。雪崩區(qū)電場 線基本終止在雪崩極絲網上，雪崩產生的大量正離子沿電場線漂移到雪崩極絲 網，被絲網吸收，所以m i c r o m e g a s 有較高的計數能力。原初電子透過率的模擬 主要研究了雪崩區(qū)與漂移區(qū)電場比對電子透過率的影響。對絲徑為2 0 i t m 3 0 p m 絲網，雪崩區(qū)與漂移區(qū)電場比大于2 0 0 時，電子透過率進入坪區(qū)。通過對5 0 x 5 0 燦m 2 和6 0 6 0 p m 2 單元絲網正方體模型不同絲徑參數結構對比發(fā)現：絲網的絲徑越小， 電子透過率越大。增益的m c 模擬結果得到，在氣隙間隔為6 0 8 0 1 a m 左右時增 益會達到極大值，所以m i c r o m e g a s 雪崩區(qū)間隙一般選取5 0 l o o p m ，在此范圍 的間隙均勻性誤差對增益并不會有大的影響。此外，還模擬研究了感應信號，感 應電流信號的大小主要由原初電子在漂移區(qū)漂移和在雪崩區(qū)的雪崩放大決定。通 過簡單電荷靈敏放大器的p s p i c e 信號模擬處理得到與實驗示波器觀測基本一致 的結果。通過模擬研究深入理解了m i c r o m e g a s 的工作原理，對實驗中氣體成份 的選擇，雪崩極絲網參數，具體結構的選擇提供了有益的參考。 我們在前期實驗的基礎上，完整總結了魚線隔開雪崩區(qū)小尺寸m i c r o m e g a s 的制作工藝，使用5 0 0 目斜紋絲網作為探測器雪崩極，采用絲徑為1 2 0 p m 魚線 作為雪崩區(qū)間距隔開。為提高粒子的探測效率，采用3 5 0 目平紋絲網作為 m i c r o m e g a s 漂移極。實驗集中研究了增益均勻性、電子透過率、氣體增益和能 量分辨率等性能。在實驗中固定雪崩極電壓，通過改變漂移極的電壓，測試了原 摘要 初電子透過率，與三維的模擬結果一致。通過兩組不同雪崩極電壓實驗的比較， 發(fā)現電子透過率的改變與雪崩極所加電壓無關，主要的影響因素是雪崩區(qū)與漂移 區(qū)的電場比。測量了不同氣體成分中全能峰峰位隨不同電場比的變化，發(fā)現當 i s o b u t a n e 比例減少時，隨著電場比的增加，混合氣體對原初電子復合效應的影 響逐漸減少。通過不同混合氣體增益的測量，詳細研究了在氣體探測器中的彭寧 效應，模擬計算了不同混合氣體成分彭寧效應的準確百分比。通過對不同氣體成 分下漂移極高壓變化時能量分辨率的測試，發(fā)現在增益最大時，由于漂移區(qū)的電 場較低，復合效應引起的原初電子數目統(tǒng)計漲落，能量分辨率并不是最佳。當 i s o b u t a n e 比例減少時，隨著電場比的增加，漂移區(qū)電場強度較低，電子復合效 應影響減少，最佳能量分辨率的雪崩區(qū)與漂移區(qū)電場比的坪區(qū)范圍增大，同時也 改善了最大增益時的能量分辨率。初步測試了熱壓膜作為雪崩區(qū)間距工藝的 m i c r o m e g a s 性能，對5 9 k e vx 射線全能峰的能量分辨率達到2 2 ，這是一種有 研究價值的新工藝。 目前有待進一步研究的主要問題是雪崩區(qū)均勻性改善，b u l km i c r o m e g a s 制 作工藝研究，為以后x 射線成像實驗做準備。爭取早日做出有實用價值的 m i c r o m e g a s ，性能指標達到國內外水平并有所創(chuàng)新，為我國第三代同步輻射光源 以及散裂中子源的科學應用，提供重要的探測和記錄手段。m i c r o m e g a s 的推廣 和應用，將為醫(yī)學、工業(yè)的射線成像提供一種嶄新的高計數能力、高空間分辨的 像素探測器。 關鍵詞：m i c r o m e g a s ：性能；3 d 模擬：實驗：對比 i i a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o m e g a sd e t e c t o r ( m i c r om e s hg a s e o u ss t r u c t u r e ) i sag a s e o u sd e t e c t o r d e v e l o p e ds i n c e19 9 0 s m i c r o m e g a si sak i n do fp l a n e s t r u c t u r eg a sd e t e c t o r i t c o n s i s t so fd r i f tg a p ，a m p l i f i c a t i o ng a p ，a n dat h i nm e s hw h i c hs e p a r a t e st h et w o r e g i o n s t h ed r i f tg a pi s3 m m 一10 m m ，a n dt h ea m p l i f i c a t i o ng a pi sn e a rlo o g m i t s h o w sh i g hr a t ec a p a b i l i t yu pt o 1 0 8 i 1 i l l - 2 s ，e x c e l l e n ts p a t i a lr e s o l u t i o na n dg o o d p e r f o r m a n c e o fr a d i a t i o n h a r d n e s s ，w h i c h m a k ei t as u i t a b l ec a n d i d a t ei n m g h i n t e n s i t yx r a yd e t e c t i o na n dt o m o g r a p h y i t ss i m p l es t r u c t u r ea n dl o wc o s th a v e b e e na d o p t e db ym a n ye x p e r i m e n t si np a r t i c l ep h y s i c se x p e r i m e n t s ，s u c ha sc h a r g e d p a r t i c l el o c a l i z a t i o n ，t p c ，n e u t r o no rx r a yi m a g i n g t h ep e r f o r m a n c eo fm i c r o m e g a si ss t u d i e db yt h e3 ds i m u l a t i o na n dt h e e x p e r i m e n t sc a r e f u l l ya n dp a r t i c u l a r l y w ec o m b i n et h em a x w e l lf i e l dc a l c u l a t i o ns o f t w a r ea n dg a r f i e l dt os i m u l a t et h e p e r f o r m a n c eo fm i c r o m e g a si nd e t a i l t h ec o l u m nm o d e la st h el i n eo fm e s hi su s e d i nt h e3 dm o d e lb u i l d i n gf o rn l ef i r s tt i m e ，a n dt h ec o l u m nm o d e li sm o r es i m i l a rt o t h em e s hi nt h ee x p e r i m e n tt h a nt h ec u b i cm o d e l w ec a l c u l a t et h ee l e c t r o nd r i f t v e l o c i t y , t h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t sa n dt h et o w n s e n dc o e f f i c i e n tc h a n g ew i t ht h e e l e c t r i cf i e l di nd i f f e r e n tg a sm i x t u r e s i na r g o n 9 0 + i s o b u t a n e l0 g a sm i x t u r et h e a p p l i e dv o l t a g eo fd r i f te l e c t r o d em e s ha n da m p l i f i c a t i o ne l e c t r o d em e s ha r e 51o r , 一4 9 0 v , r e s p e c t i v e l y , a n dn e a r18 0 p mo ft h em i n i m u mo fs p a c er e s o l u t i o ni sg o tw h e n t h ed i f f u s i o ne f f e c ti sc o n s i d e r e do n l y t h ee l e c t r i cf i e l dl i n e se n do nt h em e s ho f a m p l i f i c a t i o ne l e c t r o d e ，a n dm o s ti o n sp r o d u c e di nt h ea v a l a n c h ep r o c e s sd r i f tt ot h e m e s h ，a n da r ea b s o r b e db yt h em e s h s om i c r o m e g a ss h o w sh i g hr a t ec a p a b i l i t y t h e e l e c t r o nc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yc h a n g e sw i t ht h ee l e c t r i cf i e l dr a t i oo fa m p l i f i c a t i o ng a p a n dd r i f tg a p f o rt h e2 0 - 3 0 9 md i a m e t e rm e s h ，t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e e l e c t r o nc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yr i s e su pt ot h ep l a t e a uw h e nt h er a t i oo fa m p l i f i c a t i o n g a pa n dd r i f tg a pm o r e 也a n2 0 0 a n dt h ee l e c t r o nc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yc a l lb el a r g e r w i t hs m a l l e rd i a m e t e rm e s h t h eg a i nc a ng e tt l l em a x i m u mw h e nt h ea m p l i f i c a t i o n g a pi s6 0 8 0 p m s ot h ea m p l i f i c a t i o ng a pi sc h o s e ni nt h er a n g eo f5 0 10 0 p mu s u a l l y t h ef l u c t u a t i o no fa m p l i f i c a t i o ng a pw o u l dc h a n g et h eg a i nr e l a t i v e l yl i t t l e t h e a m p l i t u d eo ft h es i g n a li s d u et ot h ee l e c t r o nm o v e m e n t t h es i g n a la f t e rt h e p r e a m p l i f i e rp s p i c es i m u l a t i o n i sc o n s i s t e n tw i t ht h e s i g n a l o b s e r v e db yt h e o s c i l l o g r a p h w ec a nu n d e r s t a n dt h ep r o p e r t yo fm i c r o m e g a sb yt h es i m u l a t i o nv e r y w e l l t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n sp r o v i d ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o no nt h ec h o i c eo ft h e i i i a b s t r a c t g a s ，m e s ha n dt h es t 九l c t u r e b a s e do nt h ep r e v i o u se x p e r i m e n t s ，w es u m m a r i z et h ef a c t u r et e c h n i q u eo f m i c r o m e g a s ，w h o s ea m p l i f i c a t i o ng a p i ss e p a r a t e db yf i s hl i n e s ，a n du s e dt h e5 0 0 l p i b i a sf o r mm e s ha sa m p l i f i c a t i o ne l e c t r o d e ，a n d12 0 1 x mf i s hl i n e sa st h ea m p l i f i c a t i o n g a p t h e35 0 l p it a b b yf o r mm e s hi sc h o s e na st h ed r i f te l e c t r o d e t h ep e r f o r m a n c eo f m i c r o m e g a s ，s u c ha st h eu n i f o r m i t ya m p l i f i c a t i o ng a p ，t h e e l e c t r o nc o l l e c t i o n e f f i c i e n c y , t h eg a i n ，e n e r g yr e s o l u t i o ni nd i f f e r e n tg a sm i x t u r e sa r em e a s u r e da n d s t u d i e d i nt h e e x p e r i m e n tw em e a s u r et h e e l e c t r o nc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yw i t h c h a n g i n gt h ea p p l i e dv o l t a g eo f d r i f te l e c t r o d ea n dt h ec o n s t a n t v o l t a g eo f a m p l i f i c a t i o ne l e c t r o d e b yt h er e s u l tc o m p a r i s o no ft w og r o u p sw i t hd i f f e r e n tm e s h v o l t a g e ，w ec o n c l u d et h a tt h ec h a n g eo ft h e e l e c t r o n c o l l e c t i o n e f f i c i e n c y i s i n d e p e n d e n tw i t ht h ev o l t a g eo fa m p l i f i c a t i o ne l e c t r o d ea n di sr e l a t e dt ot h ee l e c t r i c f i e l dr a t i oo fa m p l i f i c a t i o ng a pa n dd r i f tg a p ，a n dt h er e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h e s i m u l a t i o n t h ec h a n g eo ft h ee l e c t r o nc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yi nd i f f e r e n tg a sm i x t u r e s s h o w st h ee l e c t r o nc o m p o u n de f f e c tr e d u c e sw i t ht h ed e c r e a s eo fi s o b u t a n e w e c a l c u l a t et h ep e r c e n t so fa r g o na t o m sw h i c hp a r t i c i p a t ei nt h ep e n n i n ge f f e c ti na r g o n a n di s o b u t a n eg a sm i x t u r e s w ef i n dt h a tt h ee n e r g yr e s o l u t i o no ft h em a x i m u mg a i n i sn o tt h eb e s tr e s o l u t i o nv a l u e ，f o rt h ee l e c t r o nc o m p o u n de f f e c to nl o we l e c t r i cf i e l d w h e nt h ei s o b u t a n ep e r c e n ti sd e c r e a s e d ，t h ef l u c t u a t i o no fe l e c t r o nn u m b e ri s w e a k e n e db yt h ei n c r e a s i n go ft h ee l e c t r i cf i e l dr a t i oo fa m p l i f i c a t i o ng a pa n dd r i f t g a p ，a n dt h er a t i op l a t e a ui sp r o l o n g e da n dt h ee n e r g yr e s o l u t i o no f t h em a x i m u m g a i n i si m p r o v e d w em e a s u r e dt h em i c r o m e g a su s i n gt h eh o ts t a m p i n gf o i l sa s t h e a m p l i f i c a t i o ng a p t h ee n e r g yr e s o l u t i o no f 5 9 k e vx - r a yi sb e t t e rt h a n2 2 ，a n di ti s av a l u a b l en e w t e c h n i q u e t h e r ei sa ni m p o r t a n tp r o b l e mo nt h et e c h n i q u eo fi m p r o v i n gt h eu n i f o r m i t yo f t h ea m p l i f i c a t i o ng a p t h er e s e a r c ho fb u l kt e c h n i q u es h o u l db es t u d i e dt op r e p a r ef o r t h ex r a yi m a g i n ge x p e r i m e n t i ti se x p e c t e dt or e a c ht h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sa n d b r i n gf o r t hs o m en e w i d e a sf o rm o r ea p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r ee x p e r i m e n t si n c l u d i n g t h et h i r d g e n e r a t i o ns y n c h r o n i z a t i o nr a d i a t i o nl i g h ts o u r c ea n dt h es p a l l a t i o nn e u t r o n s o u r c e w i t hg o o dt i m ea n ds p a c er e s o l u t i o n ，m i c r o m e g a sc a l lb ew i d e l ya p p l i e di n m e d i c a le n g i n e e r i n ga n di n d u s t r i a lx r a yt o m o g r a p h y k e yw o r d s ：m i c r o m e g a s ；p e r f o r m a n c e ；3 ds i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t ；c o m p a r i s o n i v 中國科學技術大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文，是本人在導師指導下進行研究工作所取得的成 果。除已特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含任何他人已經發(fā)表或撰寫 過的研究成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均己在論文中作了明確 的說明。 作者簽名：簽字日期： 中國科學技術大學學位論文授權使用聲明 作為申請學位的條件之一，學位論文著作權擁有者授權中國科學技術大學擁 有學位論文的部分使用權，即：學校有權按有關規(guī)定向國家有關部門或機構送交 論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以將學位論文編入有關數據 庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。本人 提交的電子文檔的內容和紙質論文的內容相一致。 保密的學位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 作者簽名： 簽字日期： 導師簽名： 簽字日期： 第1 章m i e r o m e g a s 介紹 第1 章m i c r o m e g a s 介紹 1 1m i c r op a t t e r ng a sd e t e c t o r 發(fā)展 氣體探測器從最早的電離室，正比計數器，g m 計數器開始發(fā)展，1 9 6 8 年 g e o r g e sc h a r p a r k 發(fā)明了多絲正比室，使氣體探測器發(fā)生了革命性的變化。由于 其位置分辨率好，探測效率高，成為了粒子物理實驗研究的主要工具之一。為此， c h a r p a r k 獲得了諾貝爾物理獎，以后因各種不同實驗和應用的需要，不斷地發(fā) 展出了各種具有不同類型的氣體探測器，例如漂移室，流光室等。同時還應用在 中子照相，丫照相等領域。 從1 9 8 8 年a n t o no r e d 發(fā)明研制出微條氣體探測器m s g c 以后，氣體探測 器發(fā)展進入了一個新的高潮。各種類型的微觀氣體探測器相繼出現 1 ，2 】。 】1 1m s g c m s g c ( m i c r os t r i pg a sc h a m b e r ) 是一種位置靈敏氣體探測器，其工作原 理類似于m w p c 。由漂移極，陽極條和陰極條三個電極組成，結構示意圖見圖 1 1 。陽極條與陰極條都在一個平面上，用光刻方法將金屬箔附在墊板上。二極 之間的中心距約為2 0 0 肛m 。陰極條的厚度僅為0 5 1 z n ，寬度約為1 0 0 “m ，陽極條 較窄約為7 岬。墊板通常是3 0 0 - 6 0 0 1 j a n 厚的玻璃或石英板等。漂移極與陽，陰 極平面的間隔一般為3 5 m m 。漂移極加幾k v 的負電壓，陽極與陰極條之間也加 幾百伏的電壓。 當x 射線或帶電粒子在室內產生電離后，電子在漂移電場的作用下向陽極 漂移。在靠近陽極條時，由于陰極和陽極條間隙很小( 岬) ，其電場很強，可 達4 0 k v e m ，電子在此區(qū)域發(fā)生雪崩，雪崩產生大量的次級電子和正離子，電子 很快到達陽極條形成負脈沖。同樣，因為間隙很小，正離子也很快到達陰極，所 感應的脈沖也很快，一般來講，其脈沖中上升時間 3 5 n s ，下降時間也只有約6 0 n s 。 m s g c 結構上的特點：陽，陰極的間隙很小，只有幾十i n n ，所以計數率能力很 高，可以高于1 0 6 m m 之s 。1 左右。在不發(fā)生極間打火和擊穿的安全電壓下，其放大 倍數在1 0 3 以上，甚至可達到1 0 4 。 該氣體探測器的缺點主要有以下幾點 3 】： 1 打火很容易使微小結構的交替電極發(fā)生損壞。陽極條壽命、氣體泄露、 數據通路占用：陽極條受到高電場下雪崩產生的高能粒子的不斷撞擊和微條顆粒 性，使其被激活蒸發(fā)、擊穿、化學腐蝕和老化而導致短路的概率非常大。 2 由于墊片上的電荷堆積和放電問題，存在增益長期穩(wěn)定性問題。 3 提高在安全工作電壓下的氣體放大倍數，實現高效率地對最小帶電粒子 的探測。 2 m g c 閣1 1m s g c 結構參數示意圖 0 5 1 1 a 1 0 3 。0 6 m g c ( m i c r og a pc h a m b e r ) 是一種基于微電子技術而研制的探測器，陽極與 陰極由小體積的絕緣條隔開在具體的結構上，最下面是探鋇4 器的墊板，只是一 個支撐體，可以是石英，硅，玻璃等絕緣材料，在這墊片上鍍一層鋁金屬膜厚度 為1 a m ，作為陰極在這層金屬膜上面是厚度為2 1 0 9 i n 的絕緣條，條的厚度決 定了陽極一陰極之間的距離，然后再在絕緣條上鍍鋁膜，厚為2 3 l t m ，作為陽極 條，它的寬度比絕緣條小幾m ，陽極條之間的距離為2 0 0 - 3 0 0 p m ，在距離陽極 條2 5 m m 處為漂移電極。漂移電極與陽極較大的間隙可提供帶電粒子的初級電 離電荷，形成電離漂移區(qū)；而陽極與陰極較小的間隙則用于快速收集在雪崩階段 所產生的電子與離子，形成雪崩放大區(qū)。 、 漂移電報 4 n 陌投箍辱 2 0 u 。 r 莎剮。援扯。上日援l - 一w u 圖12 m g c 的結構參數示意圖 當陽極明極之間施加足夠高的電壓后，由于大量的電力線終止在陰極上并 形成十分陡峭的電壓梯度，使得氣體雪崩電荷離子的收集過程非常之快。由于 m g c 沒有過多外露的絕緣層，可有效地消除表面電荷的積累現象，從而進一步 提高計數率和加快電荷離子的收集速度。因此與m s g c 相比，由于兩者在電極 結構上的差異，m g c 可具有更高的氣體增益和計數率1 4 。 1 1 3 g e m g e m ( g a s e l e c t r o n m u l t i p l i e r s ) 探測器主要由漂移電投，g e m 膜，g e m 膜 下方的p c b 印刷電路板組成。為增大放大倍數，一般會有兩層，甚至三層g e m 電極組成，達到級聯放大，見圖1 3 ( 曲。g e m 膜是一層k a p l o n 聚酯絕緣膜，見 圖1 , 3 ，該聚酯膜兩面均附有約為5 - 15 i m a 厚的銅箔。該聚酯膜上用化學蝕刻 方法將其制成許多等間距的微孔，微孔的直徑為9 0 i t m ，孔間距為1 4 0 0 0 岬， 兩邊銅箔上微孔的直徑為約1 2 0 i j t m 【5 】。 g e m 工作時，在漂移電極、g e m 上下銅層和p c b 讀出電極上分別加上不 同的電壓( 電壓依次升高) 。通常漂移電極加負高壓，p c b 接零電位。粒子在 漂移區(qū)產生原初電離，在電場作用下向下漂移部分電子進入g e m 微孔通道， 當兩邊銅箔上加上一定的電勢差，由于兩銅箔之間的距離很小，孔的直徑也很小 會在孔內形成非常強的電場，當電子通過這些微孔時，在孔內發(fā)生雪崩，產生大 量的電子與離子對，電子在收集區(qū)的電場作用下繼續(xù)向下漂移，最后被p c b 收 集讀出信號。 d r i f t 一一一一一 一 ，一 ，+ 一 ? 于t ， o 一3 c ：+ 。：”、，：?c 、 ! ， g j 鹵 _ 。一十1 二= 一：i 墨：薈、罾各鑫j = 一1 t i 二xs - j i l 。一 甘 一一 g e m2 ：j i 。二二= = ：j j ：“，譬 ， ： e 2t r 二n ! ! 。2 。 曲o_ g e m2 = ，i t ：i ：i r e a d o u l 三一簍蘭1 ：鋈蘢釜妻矗鑫 卜“寸i i ：i ：，：舛? - 二焉 圖l3 f 鍆三級g e m 探測器結構示意圖 圖1 3 c o ) g e m 膜結構參數示意囤 第1 章m i c r o m e g a s 介紹 1 2m i c r o m e g a s 結構 m i c r o m e g a s ( m i c r om e s hg a s e o u ss t r u c t u r e ) 探測器是上世紀末九十年代 中在法國s a c l a y 發(fā)展起來一種氣體探測器【6 】。由漂移區(qū)，雪崩區(qū)以及隔開兩區(qū) 的雪崩極絲網組成，示意圖可詳見圖1 4 。漂移區(qū)的電場小于l k v c m ，當x 射 線或帶電粒子在漂移區(qū)內產生原初電離后，電子在漂移電場的作用下向雪崩極絲 網漂移，穿過絲網的電子進入雪崩區(qū)，由于陰極和陽極條的間距極小，只有1 0 0 1 - l m 量級，較小的電壓差就會在雪崩區(qū)產生較高電場，可達1 0 0 k v c m ，電子在雪崩區(qū) 產生雪崩，在接地的陽極感應出信號，通過前端電子學讀出。 圖1 4m i c r o m e g a s 結構示意圖 1 3m i r o m e g a s 制作工藝 m i e r o m e g a s 的研制工藝從最開始的完全微觀精細制作到組合式，再發(fā)展到 現在國際上流行的“b u l k 技術這三個階段： 最初的工藝中雪崩極絲網采用的是完全蝕刻的技術【6 ，7 】，該工藝的主要特 點是：雪崩極絲網采用完全光學刻蝕的方法得到，采用的材料是金屬鎳，可以得 到很薄的絲網，可達到3 - 5 1 a m ，該工藝主要的缺點是：由于絲網是光刻工藝生 產而且很薄，所以成本較高、不易大面積研制，生產。 進一步的工藝是使用編織絲網代替蝕刻網格，不過采用的是雪崩區(qū)隔開柱子 和編織網組合的技術【8 】。 現在國際上研制m i e r o m e g a s 較為普遍的工藝是“b u l k ”工藝，該工藝首先由 s a c l a y 在2 0 0 6 年研制成功，主要生產工藝見圖1 5 ，該工藝具體的步驟是【9 ： 1 在讀出印刷線路板( p c b ) 上涂上光刻膠，該光刻膠的厚度決定了 m i c r o m e g a s 雪崩區(qū)的間隙。 4 第1 章m i c r o m e g a s 介紹 2 然后平整放上金屬編織絲網。 3 在絲網上面再涂上一層光刻膠。 4 使用固定的支撐柱模板曝光，經顯影、定影等工序，只留下支撐用的小柱 子，一般柱子的直徑是3 0 0 9 m ，柱子的間隙為2 m m 。 5 最后裝配上漂移極，即可得到完整的m i c r o m e g a s 。 該工藝使用了成本低廉的編織絲網，而且編織絲網具有優(yōu)越的機械性能，較 容易購買的優(yōu)點，所以適合制作大面積的m i c r o m e g a s 。 帆m e s h 一筒萎惹蠱帆鼬撕旰短匝砬勉皿 ：勰k 緬盞p 蘭o , c e r s ：山舊 圖1 5 制作m i c r o m e g a s 的“b u l k ”工藝 1 4m i c r o m e g a s 性能優(yōu)點 m i c r o m e g a s 的優(yōu)點如下： 較高的計數率，雪崩區(qū)附近的電場線分布見圖1 6 所示b o ，在雪崩過程中產 生的離子沿著電場線被雪崩極絲網收集，離子可以較快的被匯聚、收集，這 樣可以盡量減少空間電荷效應。計數能力可達到1 0 8m m 2 s 。 、 較好的空間分辨，使用較低橫向擴散系數的氣體和窄氣隙可以盡量的改善空 間分辨，m i c r o m e g a s 的空間分辨可好于1 0 0 p m 。 耐輻照，成本低廉。 5 第1 章m i c r o m e g a s 介紹 圖1 6m i c r o m e g a s 電場線的“漏斗”結構 表1 1 所示為國際上m i c r o m e g a s 較好的性能指標： 表1 1m i c r o m e g a s 性能指標 空間分辨率 1 2 t m ( r m s ) 11 】 時間分辯率 0 2 n s ( r m s ) 12 】 能量分辨率( 5 9 k e y )1i ( f w h m ) 1 3 】 快信號的上升時間 1 0 0 1 1 4 】 正是m i c r o m e g a s 的以上優(yōu)點，使其被廣泛應用于高能物理領域( 在 c o m p a s s 實驗的徑跡探測，n _ t o f , n a 4 8 ，t e s l a ) 1 5 ，無加速器物理( c a s t ， h e l l z ) ，以及醫(yī)學應用( x - 射線成像) 。 6 第2 章m i c r o m e g a s 的3 d 模擬 2 13 d 模型建立 第2 章m i c r o m e g a s 的3 d 模擬 2 1 1m a x w e l l 軟件簡介 m a x w e l l 是由a n s o f t 公司研發(fā)的用于計算三維電磁設計的軟件。該軟件特點 是向導式的用戶界面，精度驅動的自適應剖分技術，強大的后處理器?？梢苑治?渦流，集膚效應和鄰近效應具有不可忽視作用的系統(tǒng)，得到電機、母線、變壓器、 線圈等電磁部件的整體特性?？捎嬎愎β蕮p耗、線圈損耗、某一頻率下的阻抗、 力、轉矩、電感、儲能等參數 1 6 】。 m a x w e l l 使用的算法是有限元法，該方法是當前應用最廣泛的數值解析法。 具有通用性強，使用范圍廣等優(yōu)點。有限元方法的計算精度取決于剖分單元的大 小與單元的分布，單元數量越多計算精度越高。 2 1 2 有限元方法 有限元方法是以變分原理和近似插值離散為基礎的一種計算方法，該方法首 先利用變分原理把所要求解的邊值問題轉化為相應的變分問題，也就是泛函極值 問題，然后利用對場域的網格剖分離散和在單元上對場函數的插值近似，將變分 問題轉化為普通多元函數的極值問題，最終歸結為一個代數方程組，解之即得待 求邊值問題的數值解。 對于計算靜電場問題的泊松方程： 一刃2 緲= p ( 2 1 ) 在場域為q 時，它的等價泛函為： 坳) = 肌號m 2 d r 2 一胍瑚 ( 2 2 ) 即使得該泛函取得極值的函數必滿足方程( 2 ，1 ) 。因此求解方程( 2 1 ) 的問題轉 化成求解式( 2 2 ) 所示的泛函極值問題。 若將場域q 離散化，即劃分為許多個小單元，且在每個單元內將電位的分布 近似看作是線性變化的，即單元內各點的電位由該單元各頂點電位線性表示，由 此，式( 2 2 ) 中對場域q 的積分可以變?yōu)樵趩蝹€單元上的積分之和，而在各單 元上的積分由于給出了電位函數的近似表達式，則相關積分可以求出，從而式 ( 2 2 ) 可以變?yōu)橐粋€無需積分可得一個多元函數，即 7 第2 章m k m 嘴的3 d # 擬 仰) = 妻胍；陽2 一寶胍腳= 7 吲捌書九g ( 23 ) 其中s 、g 為己知系數矩陣。為使函數，( p ) 取得極值，即求出式( 22 ) 所示的泛函 的變分問胚，僅需使得式( 23 ) 所示的多元函數對每個自變量的導數為零，印 甜，a p ，= o ( i = 1 , 2 ， ) ，從而可得到一個以單元節(jié)點上電位為未知量的方程組， 其矩陣形式為： 【司m = 【g 】 r 4 求解該代數方程組，即可得到各節(jié)點的電位值，進而可以通過節(jié)點電位求得單元 的電場強度。這就是有限元法的理論基礎。 實現有限元方法包括以下幾個主要步驟：找出與邊值問題對應的泛函及其等 價變分問題，將連續(xù)場域離散成網格單元( 即網格剖分) ，在單元上將未知的連 續(xù)函數近似表示為一個己知函數( 如線性或二次函數) ，求泛函的極值，形成有 限元方程組，求解方程組，結果顯示和求解其它場量。 2 13 m i c r o m e g a s3 d 模型 m i c r o m e g a s 具體模型參數，材料的選擇，與實驗一致。考慮到我們實驗用 的絲網是編織絲網，因此在模型的選擇上盡量一致的近似，選用圓柱形模擬編織 絲網的金屬線，如圖21 ( a ) ，放大的雪崩極單元見如圖21 c o ) ，該雪崩極具體參 數參照電鏡掃描的結果，模擬5 0 0 目斜紋絲網，一個單元是5 0 x 5 0 l u a 2 采用直 徑為2 2 p m ，雪崩區(qū)的大小為1 2 0 1 t m ，漂移區(qū)的大小為2 5 5 m m 。根據實驗p c b 銅膜厚度，感應信號條厚度是1 0 肛h 圖2 i ( a ) m i e m m e g a ! s3 d 模擬 圖2 _ b ) 雪崩極絲網放大圖，采用圓柱形蝕刻 模型 苧! 芏堅! ! ! ! ! 豎竺墮塑塑! 在材料的選擇上，空間填充為真空，漂移極、雪崩極為不銹鋼，陽極讀出為 銅。漂移極和雪崩極電壓的大小設置由實驗決定。 由于實驗中整個區(qū)域較大，而在模擬時選取如此大區(qū)域的電場計算是較耗時 間的，而且在后續(xù)g a r f i e l d 的數據導入過程中，也會有數據量過大的問題，所以 在m a x w e l l 的區(qū)域選取上，選取的邊界是絲網的中間位置，在邊界條件的選擇上， 采用四個側面電場線相切，這樣所產生的電場，后進行周期性重復與實驗大面 積的電場分布是一致的。 在設定求解選項( s e t u ps o l u t i o n ) 時操作界面如圖2 2 ，通過設置網格剖 分、方程求解精度和求解方法，a n s o t t 具有網格自適應功能，自適應技術可以實 現網格單元的合理分布，從而可以提高計算精度。自適應網格細分是一個迭代過 程，程序先生成一個單元較少的初始網格，計算場量，根據場量分布細分一些區(qū) 域的網格，然后再計算場，依次循環(huán)。該部分的具體內容如下： 圖2 2m a x w e l l 軟件中設定求解選項界面 s t a r t i n g m e s h ：自適應迭代過程的起始網格。該選項的第一部分n i n n y _ 代過 第2 章m i 口o m e g o s 的3 d 模擬 程是從初始網格開始( i m t i a l l ，還是從已繹迭代計算過的當前惻格開始 f c u r r c m ) 。很顯然，設置為c u r r e n t 是在上次已計算結果的基礎上繼續(xù)迭待， 這樣可以節(jié)省時間。在迭代過程中用戶可以終止計算，程序將保存當前結果， 亦可以得到計算結果。該選項的第二部分為人t 嘲格處理( m a n u a lm e s h ) ，點 擊該項后進入嘲格處理界面，其中最常用的功能是網格細分(