基于GEM快中子探测器的模拟

基于GEM快中子探测器的模拟

1.1GEM模拟研究

1.1.1电子在GEM孔中的雪崩效应

图1.1展示了两个电子分别在GEM孔中发生的雪崩效应，产生了大量的电子和离子。通常电子的漂移速度比离子的快三个量级，所以它能快速通过GEM 孔到达收集区并产生快时间信号。在漂移区入射粒子电离产生的初级电子在电场的作用下沿着电场线穿过GEM中在GEM产生的电场中，初级电子开始增殖，诱发雪崩。

图1.1两个电子在 GEM 孔中发生雪崩效应

1.1.2电子在GEM孔中的雪崩效应

漂移运动是指由宏观电场引起电子的定向移动。定向移动的速度叫做漂移速度。图 1.2描述了电子在混合气体中随漂移区电场的速度变化曲线，它包含三个部分：

1．当漂移区电场小于 1 KV/cm 时，电离电子一方面在与气体原子发生碰撞中损失能量又在两次碰撞之间从电场中获得能量，当电子在碰撞中损失的能量等于从电场获得的能量时，电离电子达到了动态平衡，此时电离电子的平均动能要比没有电场时的热运动能量大得多。所以电子随机运动产生了一个与漂移区电场方向相反的新场，这种情况下电场越强，电子运动越混乱，反向电场也越强，最终使得电子的漂移速度随着电场增强而降低。

2．当电场大于 1 KV/cm 小于 3 KV/cm 时，电子漂移速度保持一个相对稳定的值。这是因为电子随机运动引起的逆电场与漂移区电场基本相当。所以电子在这一区域中的速度波动不大，所以速度曲线在 1-3 KV/cm 有一个小坪台。

3．随着漂移区电场持续增大，使得所有的电离电子的运动方向趋于一致，且速度随漂移区电场呈指数上升。

图 1.2电子漂移速度随漂移区电场的变化

1.2 Geant4简介

Geant4是欧洲核子研究中心(CERN)开发并于1999年开始公布的一个大型高能物理探测器模拟程序，是采用当代先进的面向对象程序设计技术的C++语言编写的。该软件包提供了探测器几何描述、跟踪粒子在探测器介质中传输、探测器灵敏单元的响应、事例的管理、对象的存储、三维图形显示等工具，利用这些工具，用户可以精确的定义复杂探测器的几何结构和材料组成，可以模拟已知粒子与探测器介质之间各种可能的相互作用，可以用三维图形的方式查看探测器的几何结构以及粒子在探测器中的径迹。Geant4不仅能够用于高能物理模拟，同时也可以应用于核技术领域的其他方面。

本文中模拟的平台是Ubuntu Linux，采用最新的Geant4.9.6版本。Geant4程序模拟的基本流程如图1.3。

图1.3 Geant4程序模拟的基本流程图

1.3基于GEM的快中子探测器

GEM探测器不仅能够用来探测带电粒子，也能用来探测中子。中子属于中性粒子，不直接与探测物体发生电离作用，所以要对中子进行探测必须要把它转

化为一种可探测的粒子，比如质子，阿尔法离子等带电粒子。一般对热中子(∼0.0025 eV)的转化层使用具有高热俘获截面的B-10、Li-7和He-3。但是对于能量比较高的中子，则需要用富含H的物质来探测，比如聚乙烯；一方面是因为H 核的散射截面大，另一方面是因为靶核越轻，散射时从中子获得的能量越多。对于14 MeV 的中子来说，一般为聚乙烯膜（PE）或者高密度聚乙烯膜（HDPE）。典型的中子探测器的组成部分为：一层或者多层转化材料和GEM膜，探测器通过探测中子转化的带电粒子作为中子的探测标签。在本文中我们使用了高密度聚乙烯膜作为转化材料，把中子转化为质子，通过测量带电粒子间接的获得入射中子的信息。

1.1.1探测器描述

在我们的模拟工作中，GEM作为中子探测器的结构示意图如图1.1. 通过Geant4模拟，对基于 GEM 技术的中子探测器进行了建模和模拟。在充分尊重实际情况的基础上，对模型进行了一些简化处理：使用一个标准的GEM膜作为基本的探测器，漂移区和收集区的宽度为 4 mm，并把他们设置为灵敏探测器。由于我们只关注中子在探测器中产生的次级粒子以及它们在探测器中的沉积能量，所以GEM 没有微孔，工作气体是标准大气压下的Ar和CO2的混合气（它们比例可调），详细的建模尺寸、组成成份见表 3-1。

中子源主要是14MeV的单能中子源，中子源放置在距离探测器中心位置 10 cm 的地方，入射中子沿Z 轴正向垂直进入探测器，每次模拟使用5.0×105个各向同性的中子，模拟中子与物质发生作用的物理过程使用QGSP_BERT_HP[8]物理库。局部模拟图如1.6所示，绿色代表中子，蓝色代表反冲质子，在质子经过的路径上与气体发生碰撞电离产生了大量的红色径迹，它们是电离电子和δ电子。

图 1.3中子在 GEM 探测器输运的局部示意图，绿色代表中性粒子，如中子，光子；蓝色代表带正电的离子，如反冲质子， Ar40 离子等；红色代表次级粒子在气体中发生碰撞电离产

生的电离电子或者高能δ电子。

表 3-1 几何尺寸和探测器的组成成份，X 和Y 方向为 10 cm

1.1.2物理过程描述

首先，当14MeV的中子射入探测器，与高密度聚乙烯膜（HDPE）发生弹性散射作用产生反冲质子。当质子的能量足够大时，反冲质子在高密度聚乙烯中经直线连续慢化后飞出转化层进入漂移区。

然后，反冲质子在漂移区里与工作气体发生相互作用损失部分能量，使工作气体电离产生初级电子-离子对，产生的初级电离电子在电场的作用下沿电场方向漂至GEM膜。在质子运动的每一步中，当质子损失的能量大于气体的平均电离能时,气体被电离,产生初始电子-离子对。由Garfield中模拟的结果，可以知道电离能的分布函数如图 1.7.电子在漂移过程的横向与纵向扩散可以简单的看成两个高斯分布函数[9-12]。

图1.7 在Ar/CO2中气体电离能的分布

最后,所有的初级电离电子在电场作用下穿过GEM膜进入放大区,雪崩放大,雪崩电子最终在输运过程中在PCB电极板上产生感应电信号。通过对电信号的收集,间接获得入射粒子的位置信息。在本论文中我们只考虑了电子在漂移区内的运动，其他过程并没考虑。利用Garfield中模拟结果,可将倍增电子的对数和雪崩的大小看作两个高斯分布函数[11,12]。

在我们的模拟，没有考虑由正离子感应产生的信号、空间电荷效应、微网对电子通过时产生的影响以及电子学噪声对最终收集到的信号的影响。同时，我们假设每个进入GEM膜后经倍增放大的电子都可以被收集。