（粒子物理与原子核物理专业论文）micromegas物理模拟与实验研究.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 ) 是上世纪末九十年代中期在 法国s a c l a y 发展的一种气体探测器。m i c r o m e g a s 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 1 0 m m ，放大区为l o o p a n 量级。很高计数率能力( 1 0 8 m m 五s 。1 ) ，良好的空间分辨能力以及很好的抗辐照性能，使m i c r o m e g a s 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( t p c ) 、中子或x 射线成像等。 该论文围绕新型气体探测器m i c r o m e g a s 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m a x w e l l3 d 电场计算软件与g a r f i e l d 模拟软件相结合，对 m i c r o m e g a s 物理性能进行模拟研究，主要做了以下几方面工作：在m a x w e l l 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a r g o n 9 0 + i s o b u t a n e l 0 的混合气体中，漂移极电压为5 1 0 v ， 雪崩极电压为4 9 0 v ，仅考虑扩散系数影响的空间分辨6 为1 8 0 p m 。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m i c r o m e g a s 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2 0 i t m 3 0 p m 丝网，雪崩区与漂移区电场比大于2 0 0 时，电子透过率进入坪区。通过对5 0 x 5 0 灿m 2 和6 0 6 0 p m 2 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m c 模拟结果得到，在气隙间隔为6 0 8 0 1 a m 左右时增 益会达到极大值，所以m i c r o m e g a s 雪崩区间隙一般选取5 0 l o o p m ，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p s p i c e 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m i c r o m e g a s 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m i c r o m e g a s 的制作工艺，使用5 0 0 目斜纹丝网作为探测器雪崩极，采用丝径为1 2 0 p m 鱼线 作为雪崩区间距隔开。为提高粒子的探测效率，采用3 5 0 目平纹丝网作为 m i c r o m e g a s 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 摘要 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 i s o b u t a n e 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 i s o b u t a n e 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 m i c r o m e g a s 性能，对5 9 k e vx 射线全能峰的能量分辨率达到2 2 ，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，b u l km i c r o m e g a s 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 m i c r o m e g a s ，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。m i c r o m e g a s 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。 关键词：m i c r o m e g a s ：性能；3 d 模拟：实验：对比 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 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 作者签名：签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第1 章m i e r o m e g a s 介绍 第1 章m i c r o m e g a s 介绍 1 1m i c r op a t t e r ng a sd e t e c t o r 发展 气体探测器从最早的电离室，正比计数器，g m 计数器开始发展，1 9 6 8 年 g e o r g e sc h a r p a r k 发明了多丝正比室，使气体探测器发生了革命性的变化。由于 其位置分辨率好，探测效率高，成为了粒子物理实验研究的主要工具之一。为此， c h a r p a r k 获得了诺贝尔物理奖，以后因各种不同实验和应用的需要，不断地发 展出了各种具有不同类型的气体探测器，例如漂移室，流光室等。同时还应用在 中子照相，丫照相等领域。 从1 9 8 8 年a n t o no r e d 发明研制出微条气体探测器m s g c 以后，气体探测 器发展进入了一个新的高潮。各种类型的微观气体探测器相继出现 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 ) 是一种位置灵敏气体探测器，其工作原 理类似于m w p c 。由漂移极，阳极条和阴极条三个电极组成，结构示意图见图 1 1 。阳极条与阴极条都在一个平面上，用光刻方法将金属箔附在垫板上。二极 之间的中心距约为2 0 0 肛m 。阴极条的厚度仅为0 5 1 z n ，宽度约为1 0 0 “m ，阳极条 较窄约为7 岬。垫板通常是3 0 0 - 6 0 0 1 j a n 厚的玻璃或石英板等。漂移极与阳，阴 极平面的间隔一般为3 5 m m 。漂移极加几k v 的负电压，阳极与阴极条之间也加 几百伏的电压。 当x 射线或带电粒子在室内产生电离后，电子在漂移电场的作用下向阳极 漂移。在靠近阳极条时，由于阴极和阳极条间隙很小( 岬) ，其电场很强，可 达4 0 k v e m ，电子在此区域发生雪崩，雪崩产生大量的次级电子和正离子，电子 很快到达阳极条形成负脉冲。同样，因为间隙很小，正离子也很快到达阴极，所 感应的脉冲也很快，一般来讲，其脉冲中上升时间 3 5 n s ，下降时间也只有约6 0 n s 。 m s g c 结构上的特点：阳，阴极的间隙很小，只有几十i n n ，所以计数率能力很 高，可以高于1 0 6 m m 之s 。1 左右。在不发生极间打火和击穿的安全电压下，其放大 倍数在1 0 3 以上，甚至可达到1 0 4 。 该气体探测器的缺点主要有以下几点 3 】： 1 打火很容易使微小结构的交替电极发生损坏。阳极条寿命、气体泄露、 数据通路占用：阳极条受到高电场下雪崩产生的高能粒子的不断撞击和微条颗粒 性，使其被激活蒸发、击穿、化学腐蚀和老化而导致短路的概率非常大。 2 由于垫片上的电荷堆积和放电问题，存在增益长期稳定性问题。 3 提高在安全工作电压下的气体放大倍数，实现高效率地对最小带电粒子 的探测。 2 m g c 阁1 1m s g c 结构参数示意图 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 ) 是一种基于微电子技术而研制的探测器，阳极与 阴极由小体积的绝缘条隔开在具体的结构上，最下面是探钡4 器的垫板，只是一 个支撑体，可以是石英，硅，玻璃等绝缘材料，在这垫片上镀一层铝金属膜厚度 为1 a m ，作为阴极在这层金属膜上面是厚度为2 1 0 9 i n 的绝缘条，条的厚度决 定了阳极一阴极之间的距离，然后再在绝缘条上镀铝膜，厚为2 3 l t m ，作为阳极 条，它的宽度比绝缘条小几m ，阳极条之间的距离为2 0 0 - 3 0 0 p m ，在距离阳极 条2 5 m m 处为漂移电极。漂移电极与阳极较大的间隙可提供带电粒子的初级电 离电荷，形成电离漂移区；而阳极与阴极较小的间隙则用于快速收集在雪崩阶段 所产生的电子与离子，形成雪崩放大区。 、 漂移电报 4 n 陌投箍辱 2 0 u 。 r 莎剐。援扯。上日援l - 一w u 图12 m g c 的结构参数示意图 当阳极明极之间施加足够高的电压后，由于大量的电力线终止在阴极上并 形成十分陡峭的电压梯度，使得气体雪崩电荷离子的收集过程非常之快。由于 m g c 没有过多外露的绝缘层，可有效地消除表面电荷的积累现象，从而进一步 提高计数率和加快电荷离子的收集速度。因此与m s g c 相比，由于两者在电极 结构上的差异，m g c 可具有更高的气体增益和计数率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 ) 探测器主要由漂移电投，g e m 膜，g e m 膜 下方的p c b 印刷电路板组成。为增大放大倍数，一般会有两层，甚至三层g e m 电极组成，达到级联放大，见图1 3 ( 曲。g e m 膜是一层k a p l o n 聚酯绝缘膜，见 图1 , 3 ，该聚酯膜两面均附有约为5 - 15 i m a 厚的铜箔。该聚酯膜上用化学蚀刻 方法将其制成许多等间距的微孔，微孔的直径为9 0 i t m ，孔间距为1 4 0 0 0 岬， 两边铜箔上微孔的直径为约1 2 0 i j t m 【5 】。 g e m 工作时，在漂移电极、g e m 上下铜层和p c b 读出电极上分别加上不 同的电压( 电压依次升高) 。通常漂移电极加负高压，p c b 接零电位。粒子在 漂移区产生原初电离，在电场作用下向下漂移部分电子进入g e m 微孔通道， 当两边铜箔上加上一定的电势差，由于两铜箔之间的距离很小，孔的直径也很小 会在孔内形成非常强的电场，当电子通过这些微孔时，在孔内发生雪崩，产生大 量的电子与离子对，电子在收集区的电场作用下继续向下漂移，最后被p c b 收 集读出信号。 d r i f t 一一一一一 一 ，一 ，+ 一 ? 于t ， o 一3 c ：+ 。：”、，：?c 、 ! ， g j 卤 _ 。一十1 二= 一：i 墨：荟、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 三一篓兰1 ：鋈茏釜妻矗鑫 卜“寸i i ：i ：，：舛? - 二焉 图l3 f 钔三级g e m 探测器结构示意图 图1 3 c o ) g e m 膜结构参数示意囤 第1 章m i c r o m e g a s 介绍 1 2m i c r o m e g a s 结构 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 ) 探测器是上世纪末九十年代 中在法国s a c l a y 发展起来一种气体探测器【6 】。由漂移区，雪崩区以及隔开两区 的雪崩极丝网组成，示意图可详见图1 4 。漂移区的电场小于l k v c m ，当x 射 线或带电粒子在漂移区内产生原初电离后，电子在漂移电场的作用下向雪崩极丝 网漂移，穿过丝网的电子进入雪崩区，由于阴极和阳极条的间距极小，只有1 0 0 1 - l m 量级，较小的电压差就会在雪崩区产生较高电场，可达1 0 0 k v c m ，电子在雪崩区 产生雪崩，在接地的阳极感应出信号，通过前端电子学读出。 图1 4m i c r o m e g a s 结构示意图 1 3m i r o m e g a s 制作工艺 m i e r o m e g a s 的研制工艺从最开始的完全微观精细制作到组合式，再发展到 现在国际上流行的“b u l k 技术这三个阶段： 最初的工艺中雪崩极丝网采用的是完全蚀刻的技术【6 ，7 】，该工艺的主要特 点是：雪崩极丝网采用完全光学刻蚀的方法得到，采用的材料是金属镍，可以得 到很薄的丝网，可达到3 - 5 1 a m ，该工艺主要的缺点是：由于丝网是光刻工艺生 产而且很薄，所以成本较高、不易大面积研制，生产。 进一步的工艺是使用编织丝网代替蚀刻网格，不过采用的是雪崩区隔开柱子 和编织网组合的技术【8 】。 现在国际上研制m i e r o m e g a s 较为普遍的工艺是“b u l k ”工艺，该工艺首先由 s a c l a y 在2 0 0 6 年研制成功，主要生产工艺见图1 5 ，该工艺具体的步骤是【9 ： 1 在读出印刷线路板( p c b ) 上涂上光刻胶，该光刻胶的厚度决定了 m i c r o m e g a s 雪崩区的间隙。 4 第1 章m i c r o m e g a s 介绍 2 然后平整放上金属编织丝网。 3 在丝网上面再涂上一层光刻胶。 4 使用固定的支撑柱模板曝光，经显影、定影等工序，只留下支撑用的小柱 子，一般柱子的直径是3 0 0 9 m ，柱子的间隙为2 m m 。 5 最后装配上漂移极，即可得到完整的m i c r o m e g a s 。 该工艺使用了成本低廉的编织丝网，而且编织丝网具有优越的机械性能，较 容易购买的优点，所以适合制作大面积的m i c r o m e g a s 。 帆m e s h 一筒萎惹蛊帆鼬撕旰短匝砬勉皿 ：勰k 缅盏p 兰o , c e r s ：山旧 图1 5 制作m i c r o m e g a s 的“b u l k ”工艺 1 4m i c r o m e g a s 性能优点 m i c r o m e g a s 的优点如下： 较高的计数率，雪崩区附近的电场线分布见图1 6 所示b o ，在雪崩过程中产 生的离子沿着电场线被雪崩极丝网收集，离子可以较快的被汇聚、收集，这 样可以尽量减少空间电荷效应。计数能力可达到1 0 8m m 2 s 。 、 较好的空间分辨，使用较低横向扩散系数的气体和窄气隙可以尽量的改善空 间分辨，m i c r o m e g a s 的空间分辨可好于1 0 0 p m 。 耐辐照，成本低廉。 5 第1 章m i c r o m e g a s 介绍 图1 6m i c r o m e g a s 电场线的“漏斗”结构 表1 1 所示为国际上m i c r o m e g a s 较好的性能指标： 表1 1m i c r o m e g a s 性能指标 空间分辨率 1 2 t m ( r m s ) 11 】 时间分辩率 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 】 快信号的上升时间 1 0 0 1 1 4 】 正是m i c r o m e g a s 的以上优点，使其被广泛应用于高能物理领域( 在 c o m p a s s 实验的径迹探测，n _ t o f , n a 4 8 ，t e s l a ) 1 5 ，无加速器物理( c a s t ， h e l l z ) ，以及医学应用( x - 射线成像) 。 6 第2 章m i c r o m e g a s 的3 d 模拟 2 13 d 模型建立 第2 章m i c r o m e g a s 的3 d 模拟 2 1 1m a x w e l l 软件简介 m a x w e l l 是由a n s o f t 公司研发的用于计算三维电磁设计的软件。该软件特点 是向导式的用户界面，精度驱动的自适应剖分技术，强大的后处理器。可以分析 涡流，集肤效应和邻近效应具有不可忽视作用的系统，得到电机、母线、变压器、 线圈等电磁部件的整体特性。可计算功率损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗、 力、转矩、电感、储能等参数 1 6 】。 m a x w e l l 使用的算法是有限元法，该方法是当前应用最广泛的数值解析法。 具有通用性强，使用范围广等优点。有限元方法的计算精度取决于剖分单元的大 小与单元的分布，单元数量越多计算精度越高。 2 1 2 有限元方法 有限元方法是以变分原理和近似插值离散为基础的一种计算方法，该方法首 先利用变分原理把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题，也就是泛函极值 问题，然后利用对场域的网格剖分离散和在单元上对场函数的插值近似，将变分 问题转化为普通多元函数的极值问题，最终归结为一个代数方程组，解之即得待 求边值问题的数值解。 对于计算静电场问题的泊松方程： 一刃2 缈= p ( 2 1 ) 在场域为q 时，它的等价泛函为： 坳) = 肌号m 2 d r 2 一胍瑚 ( 2 2 ) 即使得该泛函取得极值的函数必满足方程( 2 ，1 ) 。因此求解方程( 2 1 ) 的问题转 化成求解式( 2 2 ) 所示的泛函极值问题。 若将场域q 离散化，即划分为许多个小单元，且在每个单元内将电位的分布 近似看作是线性变化的，即单元内各点的电位由该单元各顶点电位线性表示，由 此，式( 2 2 ) 中对场域q 的积分可以变为在单个单元上的积分之和，而在各单 元上的积分由于给出了电位函数的近似表达式，则相关积分可以求出，从而式 ( 2 2 ) 可以变为一个无需积分可得一个多元函数，即 7 第2 章m k m 嘴的3 d # 拟 仰) = 妻胍；阳2 一宝胍脚= 7 吲捌书九g ( 23 ) 其中s 、g 为己知系数矩阵。为使函数，( p ) 取得极值，即求出式( 22 ) 所示的泛函 的变分问胚，仅需使得式( 23 ) 所示的多元函数对每个自变量的导数为零，印 甜，a p ，= o ( i = 1 , 2 ， ) ，从而可得到一个以单元节点上电位为未知量的方程组， 其矩阵形式为： 【司m = 【g 】 r 4 求解该代数方程组，即可得到各节点的电位值，进而可以通过节点电位求得单元 的电场强度。这就是有限元法的理论基础。 实现有限元方法包括以下几个主要步骤：找出与边值问题对应的泛函及其等 价变分问题，将连续场域离散成网格单元( 即网格剖分) ，在单元上将未知的连 续函数近似表示为一个己知函数( 如线性或二次函数) ，求泛函的极值，形成有 限元方程组，求解方程组，结果显示和求解其它场量。 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 具体模型参数，材料的选择，与实验一致。考虑到我们实验用 的丝网是编织丝网，因此在模型的选择上尽量一致的近似，选用圆柱形模拟编织 丝网的金属线，如图21 ( a ) ，放大的雪崩极单元见如图21 c o ) ，该雪崩极具体参 数参照电镜扫描的结果，模拟5 0 0 目斜纹丝网，一个单元是5 0 x 5 0 l u a 2 采用直 径为2 2 p m ，雪崩区的大小为1 2 0 1 t m ，漂移区的大小为2 5 5 m m 。根据实验p c b 铜膜厚度，感应信号条厚度是1 0 肛h 图2 i ( a ) m i e m m e g a ! s3 d 模拟 图2 _ b ) 雪崩极丝网放大图，采用圆柱形蚀刻 模型 苎! 芏坚! ! ! ! ! 竖竺堕塑塑! 在材料的选择上，空间填充为真空，漂移极、雪崩极为不锈钢，阳极读出为 铜。漂移极和雪崩极电压的大小设置由实验决定。 由于实验中整个区域较大，而在模拟时选取如此大区域的电场计算是较耗时 间的，而且在后续g a r f i e l d 的数据导入过程中，也会有数据量过大的问题，所以 在m a x w e l l 的区域选取上，选取的边界是丝网的中间位置，在边界条件的选择上， 采用四个侧面电场线相切，这样所产生的电场，后进行周期性重复与实验大面 积的电场分布是一致的。 在设定求解选项( s e t u ps o l u t i o n ) 时操作界面如图2 2 ，通过设置网格剖 分、方程求解精度和求解方法，a n s o t t 具有网格自适应功能，自适应技术可以实 现网格单元的合理分布，从而可以提高计算精度。自适应网格细分是一个迭代过 程，程序先生成一个单元较少的初始网格，计算场量，根据场量分布细分一些区 域的网格，然后再计算场，依次循环。该部分的具体内容如下： 图2 2m a x w e l l 软件中设定求解选项界面 s t a r t i n g m e s h ：自适应迭代过程的起始网格。该选项的第一部分n i n n y _ 代过 第2 章m i 口o m e g o s 的3 d 模拟 程是从初始网格开始( i m t i a l l ，还是从已绎迭代计算过的当前恻格开始 f c u r r c m ) 。很显然，设置为c u r r e n t 是在上次已计算结果的基础上继续迭待， 这样可以节省时间。在迭代过程中用户可以终止计算，程序将保存当前结果， 亦可以得到计算结果。该选项的第二部分为人t 嘲格处理( m a n u a lm e s h ) ，点 击该项后进入嘲格处理界面，其中最常用的功能是网格细分(