求解电场分布

1新型微结构气体探测器的模拟研究吕游2016-11-12核探测与核电子学国家重点实验室中国科学技术大学2GEM(～1997)新型微结构气体探测器MicroResistiveWell(μRWELL)+FastTimingMPGD(FTM)TheWELLdetector(～1997)R.Bellazzinietal.,NIMA423(1999)125-134G.Croci,Ph.D.Thesis,2010The“Blind”GEMdetector(～2009)TheμRWELLdetector(～2014)R.DeOliveiraetal.,arXiv:1503.05330v1FTM(～2015)在当前的大型核与粒子物理实验中，随着对撞机的能量和亮度不断提高，对探测器的计数率能力提出了很高的要求（10kHz/mm2）。具有高计数率，高位置分辨，高时间分辨，可大面积制造的气体探测器是当前物理实验中一个非常迫切的需求G.Bencivennietal.,JINST,10,(2015),P020083μRWELL介绍Micro-ResistiveWELLdetector:有效的防止打火单层探测器即能获得较大增益3mm使用阻性电极材料井型放大结构单气隙放大4μRWELL模拟：几何和电场用有限元方法构建探测器的几何结构，并求解电场分布。探测器的几何参数都是标准的参数。膜间电压：500V，漂移区场强3kV/cm构建几何，求解电场分布Z方向电场强度分布XZX方向电场强度分布5μRWELL模拟：雪崩放大将有限元方法构造的探测器的几何结构以及求解的电场分布导入Garfield++进行模拟计算。物理过程：单电子从WELL孔的正上方2.5mm处向下漂移至WELL孔产生雪崩放大。Garfield++模拟单电子雪崩放大雪崩后孔壁附着的电子分布雪崩后有效电子分布单电子雪崩放大电子离子6μRWELL模拟：效率和增益电子收集效率：电子能够漂移到WELL孔里面，并发生雪崩放大的比例。有效增益：雪崩放大后产生的次级电子在读出板上感应的电荷量与原初电子的比值。有效增益随漂移区电场变化探测器的电子收集效率及有效增益增益随膜间电压变化效率随膜间电压变化Gas:Ar/CO2(70/30)7μRWELL模拟：Townsend系数气体成分：Ar:CO2=70:30电场强度：80kV/cmTownsend系数随温度压强的变化d=50umTownsend系数随压强,温度的变化8Ramo’sTheorem：将目标电极电压设为1，其余电极接地。电子在该权场分布下的感应信号为目标电极的感应信号。感应信号在阻性板中的传输用扩展拉曼定理来描述。Ramo’sTheorem介绍Ramo’sTheorem9μRWELL模拟：感应信号物理过程：1GeV的muon从探测器漂移区垂直射入探测器，在漂移区发生原初电离。原初电离电子漂移至雪崩区放大并产生感应信号。膜间电压：500V，漂移区场强3kV/cm原初电离簇团分布原初电离次级电子分布雪崩后总电子分布μRWELL探测器感应信号探测器感应信号~150ns~-0.6fc/ns10传输函数物理过程：雪崩后电子产生的快信号，经过传输函数成形。读取信号幅度，设置阈值（5%），研究信号过阈时间分布。μRWELL模拟：时间分辨~150ns过阈时间分布时间分辨：~6nsμRWELL探测器时间性能11FTM介绍Fasttimingmicropatterngaseousdetector:快时间分辨微结构气体探测器。多层FTM结构能够有效的减小原初电离所带来的时间晃动。雪崩后的电子在放大区产生感应的快信号。DetectorTimeresolution(MIPs)RPC~1-5ns(MIPs)GEM~5-10ns(MIPs)Micromegas~1-10ns()传统气体探测器的时间分辨能力探测器漂移区长，原初电离的时间统计涨落大。电子的漂移速度相对较小。σt=1.5nsAr-CO270-302-layerFTM:2015H4-testbeamPionbeamarXiv:1503.05330v1ArchanaSharma,StatusofCMSGEMProjects,RD51Miniweek,Dec7-9,2015BrianDORNEY,R&DonaNovelFastTimingMicropattern(FTM)GaseousDetectorD.Abbaneo,etal.,NuclearInstruments&MethodsinPhysicsResearchA(2016),IlariaVai.R&Dofanewtypeofmicropatterngaseousdetector:theFastTimingMicropatterndetector.ViennaConferenceonInstrumentation201612FTM模拟：几何和电场用有限元方法构建探测器的几何结构，并求解电场分布。探测器的几何参数都是标准的参数。膜间电压：500V，漂移区场强1kV/cm气隙：0.25mm感应区：0.5mm构建几何，求解电场分布X方向电场强度分布Z方向电场强度分布13FTM模拟：增益将有限元方法构造的探测器的几何结构以及电场分布导入Garfield进行计算。物理过程：单电子从漂移区向下漂移至放大区产生雪崩放大。Kapton膜孔内中心场强以及增益随孔径变化探测器几何结构参数对增益的影响改变孔内径改变孔外径改变孔内径改变孔外径14FTM模拟：原初电离物理过程：1GeV的muon从探测器漂移区垂直射入探测器，在漂移区发生原初电离。原初电离簇团数的分布以及最靠近雪崩区的原初电离的簇团位置。膜间电压：500V，漂移区场强1kV/cmFTM原初电离的模拟最靠近放大区的原初电离簇团位置三层FTM最靠近放大区的原初电离簇团位置一层FTM单电子雪崩放大15FTM模拟：时间分辨气隙：0.25mm膜间电压：500V。漂移区电场：1kV/cm信号阈值：5%*信号幅度时间分辨：1.5ns一层FTM感应信号及时间分辨一层FTM时间分辨:~1.5ns16FTM模拟：时间分辨气隙：0.25mm膜间电压：500V。漂移区电场：1kV/cm信号阈值：5%*信号幅度多层FTM的时间分辨性能三层FTM时间分辨：1.13ns五层FTM时间分辨：0.98ns七层FTM时间分辨：0.93nsCERN-OPEN-2015-002INFN-15-01/BA17FTM探测器的安装下一步工作:1.探测器原型的性能测试;2.探测器原型的改进:材料，设计…SpecialThanksto:R.DeOliveiraandM.Maggifortheirusefulsuggestions.CERNTE-MPE-EMWorkshopForprovidingthetechnicalsupport.18总结和展望对μRWELL以及FTM探测器进行了模拟研究与制作。模拟给出对于μRWELL探测器，固定雪崩区电压（500V）,漂移区场强为3kV/cm时能得到相对较大的增益（~2000）。μRWELL探测器的时间分辨（~6ns）。对于FTM探测器模拟了几何结构参数对增益的影响。当WELL孔的外径为60um时，能得到相对较大增益。模拟了多层FTM的时间分辨性能，结果给出一层FTM时间分辨约为1.5ns，七层FTM的时间分辨达到~0.9ns。总结展望对探测器的增益，位置分辨，时间分辨等性能进行测试。对探测器在设计，材料，结构上进行优化。