李春娟 張偉華 肖雪夫 王志強 劉毅娜

(中國原子能科學(xué)研究院,計量與校準技術(shù)重點實驗室,北京102413)

GEM-TEPC電場模擬及增益分析方法研究

李春娟 張偉華 肖雪夫 王志強 劉毅娜

(中國原子能科學(xué)研究院,計量與校準技術(shù)重點實驗室,北京102413)

為對現(xiàn)有組織等效正比計數(shù)器(TEPC)進行改進,使其滿足高注量率輻射場測量,本實驗室研制一套基于氣體電子倍增技術(shù)(GEM)的寬量程TEPC。對GEM-TEPC來說,探測器的增益是其關(guān)鍵指標,施加在GEM電極上的電壓、漂移區(qū)場強、收集區(qū)場強、靈敏區(qū)充入氣體的成分、氣壓均影響探測器的有效增益。本工作通過ANSYS程序?qū)EM-TEPC的電場進行模擬計算,并對利用Garfield程序?qū)ζ湓鲆嫣匦赃M行模擬的方法以及增益測量方法進行研究。

GEM-TEPC 電場 增益 ANSYS Garfield

1 引 言

微劑量學(xué)實驗研究方法的基本出發(fā)點是使用一個組織等效氣體體積來模擬一個正常密度的小生物組織體積。H.H.Rossi最早提出并使用正比計數(shù)器測量微劑量參數(shù)[1]。用于微劑量學(xué)量測量時,正比計數(shù)器的壁材料常選用組織等效塑料(A-150),空腔中充入組織等效氣體,這一類正比計數(shù)器被稱為組織等效正比計數(shù)器(TEPC)。

氣體電子倍增技術(shù)(GEM)是20世紀90年代,由歐洲核子中心的F.Sauli等人發(fā)明的一種微結(jié)構(gòu)氣體探測器[2],該探測器具有高計數(shù)率、抗輻照、信號讀出模式多樣等優(yōu)點。由于在高注量率輻射場測量時,常規(guī)TEPC,存在信號堆積現(xiàn)象,為解決這一問題,拓展現(xiàn)有TEPC的注量率測量范圍,原子能院計量測試部張偉華等人將GEM應(yīng)用于TEPC,制作成GEM-TEPC。

對GEM-TEPC來說,探測器的增益是其關(guān)鍵指標。GEM膜上下面的電壓差對形成GEM的有效增益很重要,故需要深入研究GEM的電場特性。另外、漂移區(qū)場強、收集區(qū)場強,靈敏區(qū)充入氣體的成分、氣壓均影響探測器的有效增益。本工作通過ANSYS[3]程序?qū)EM-TEPC的電場進行模擬計算,并對利用Garfield[4]程序?qū)ζ湓鲆嫣匦赃M行模擬的方法以及增益測量方法進行研究。

2 裝置介紹

基于GEM的氣體探測器一般主要由漂移電極、GEM膜和PCB(印刷電路板)讀出電極三層組成,如圖1所示。標準GEM膜是雙面覆銅且雙錐形通孔呈均勻分布的聚酰亞胺(Kapton)膜,如圖2所示。

其中Kapton膜厚度為50μm,銅箔厚度為5μm,雙錐形孔間距140μm,孔表面直徑70μm以及孔心直徑50μm。目前使用的GEM膜大多是從歐洲核子中心(CERN)購買,也有個別實驗室自制厚層GEM膜。當在上下兩層銅箔上加一定電壓,會在孔中形成很強的電場(＞100kV/cm),電子穿過小孔時在強電場的驅(qū)動下會在工作氣體中倍增放大,放大后的電子在收集區(qū)的電場作用下繼續(xù)向下漂移,最后被PCB收集。

將GEM應(yīng)用于TEPC,其結(jié)構(gòu)主要包括A150陰極板、GEM膜和,陽極板,用不同厚度的絕緣框隔出漂移區(qū)、收集區(qū)的距離。可通過電阻鏈分壓供電的方式在漂移電極、GEM上下銅箔和讀出電極上分別加上不同的電壓,如圖3所示。分壓電阻值的設(shè)置需考慮使探測器獲得合適的增益所需要的漂移區(qū)場強、收集區(qū)場強及GEM膜壓差。

為保證探測器的組織等效性,漂移電極選用國際通用的A150組織等效塑料,壁厚滿足帶電粒子平衡要求。探測器內(nèi)充組織等效氣體,組織等效氣體的選擇須考慮到組織成分的性質(zhì)、氣體增益性質(zhì),以及氣體成分和壁材料成分是否匹配。目前組織等效氣體主要選用兩種混合氣體,一種混合氣體以甲烷為主(64.4%CH4,32.5%CO2,3.1%N2);另外一種混合氣體以丙烷為主(55%C3H8,39.6%CO2, 5.4%N2)。經(jīng)過前期實驗,基于丙烷的混合氣體增益更高,選用基于丙烷的混合氣體。

3 模擬軟件平臺介紹

由CERN開發(fā)研制的Garfield程序主要用來模擬多絲正比室、電離室等傳統(tǒng)型氣體探測器中的自由電子、離子與氣體分子的相互作用。其主要運用內(nèi)部的各種程序包模擬氣體探測器的性能,每個程序包模塊都有其特定的功能,如:CELL確定探測器的幾何結(jié)構(gòu),并且可導(dǎo)入ANSYS軟件模擬計算的三維電場值;GAS計算氣體的屬性,包括湯姆森系數(shù)、吸附系數(shù)、橫向和縱向擴散系數(shù)、漂移速度隨電場強度變化等情況;FIELD顯示探測器的電場強度分布,而電勢與電場圖與探測器的參數(shù)設(shè)置有關(guān);DRIFT模擬自由電荷的漂移雪崩;SIGNAL計算電極的感應(yīng)電荷的大小等等。由于Garfield程序本身無法進行探測器的三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,不能進行電場強度的模擬計算,在模擬電子漂移雪崩過程中,需要借助第三方軟件來計算探測器內(nèi)部電場強度的分布,常用的模擬計算電場強度的軟件有ANSYS與Maxwell兩種。本工作的電場場強均是由ANSYS軟件計算。

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和耦合場于一體的大型通用有限元分析軟件,由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司開發(fā),它能與多數(shù)CAD軟件接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。軟件主要包括三個部分:前處理模塊,分析計算模塊和后處理模塊。

4 電場計算方法及結(jié)果

利用ANSYS軟件對電場進行模擬計算主要包括三個步驟:

1)通過前處理模塊創(chuàng)建物理環(huán)境,主要包括過濾圖形界面、定義工作標題、指定工作名、定義單元類型及材料屬性等;

2)通過分析計算模塊建立三維幾何模型,對每個幾何單元賦予單元類型及材料特性,劃分網(wǎng)格,加載電壓及周期性邊界條件,并對電場進行分析計算;

3)通過后處理模塊進行畫圖,并導(dǎo)出數(shù)據(jù)結(jié)果。

由于GEM膜是周期性的重復(fù)單元,在建立三維幾何模型時可以選取一個最小單元來構(gòu)建。由于標準的GEM膜孔是雙錐形,在構(gòu)建過程中,需要四個部件才能構(gòu)建一個GEM膜孔,即兩個圓錐體以及兩個圓筒,根據(jù)所選擇的最小單元模塊,用同樣的方式構(gòu)建其他的四個1/4孔,即可以在ANSYS軟件中構(gòu)建出最小單元模型。

計算中建立的三維幾何模型如圖4所示,網(wǎng)格劃分情況如圖5所示,在漂移區(qū)、GEM膜以及收集區(qū)的電壓分別為100V,400V,100V時,電場及電勢分布計算結(jié)果如圖6至圖7所示?？梢钥闯?由于GEM微孔通道直徑很小,漂移電極和讀出電極之間的電力線在GEM微孔中密集產(chǎn)生高強度雙極電場。

5 增益計算方法

將ANSYS計算的最小單元的電場強度計算結(jié)果導(dǎo)入Garfield軟件,通過x-y平面周期平鋪的方法構(gòu)建整個標準GEM膜的電場及電勢分布,在Garfield軟件平臺上依據(jù)CELL,GAS,FIELD以及DRIFT這幾個程序包來進一步計算氣體的性質(zhì),模擬帶電粒子在探測器的電場作用下產(chǎn)生的電離電荷并追蹤其雪崩和漂移的過程,模擬計算GEM-TEPC的增益特性。

GEM探測器的增益主要是由入孔系數(shù)、絕對增益、出孔系數(shù)三者共同決定的,而GEM膜的絕對增益隨著GEM膜的上下兩端電壓差的增加而增大。GEM膜的電子入孔系數(shù)是由漂移電場與GEM膜壓差的比值決定的,在滿足GEM膜絕對增益的條件下,可以固定GEM膜的壓差,進而根據(jù)電子的入孔系數(shù)得到漂移電場的優(yōu)化值。

GEM膜的出孔系數(shù)與收集區(qū)電場和GEM膜壓差有關(guān),并且在很大程度上影響了孔中雪崩電子被陽極吸收的概率。在GEM孔內(nèi)的一定范圍內(nèi)隨機給定電子,統(tǒng)計不同收集區(qū)電場和GEM膜壓差下電子的出孔系數(shù)。電子出孔系數(shù)通常不能達到100%,這主要是因為有部分電子被GEM膜下層的銅膜俘獲。

靈敏區(qū)充入氣體的成分、氣壓也會影響探測器的增益。探測器內(nèi)充以丙烷為主(55%C3H8, 39.6%CO2,5.4%N2)的組織等效氣體。實際使用時,氣壓由擬模擬組織的尺度以及探測器的靈敏體積決定[8],一般為0.1atm～0.5atm,模擬計算不同氣壓(0.1atm～0.4atm)時,GEM有效增益隨GEM各電極上的電壓的變化。

6 探測器增益測量方法

探測器漂移電極上設(shè)置的校準腔室置有241Am α源,利用其對探測器的增益進行測量,具體測量方法如下:設(shè)漂移區(qū)原初電離產(chǎn)生電子個數(shù)為Q1,到達陽極板收集到的電子個數(shù)為Q2,經(jīng)過前放放大后測量到的脈沖信號幅度為V,Eα為α粒子在漂移區(qū)內(nèi)的最大能量沉積,可由SRIM計算得到(在2μm軟組織中的能量沉積為266keV),α粒子在組織等效氣體中的電離功W約為(29～31)eV,計算中選取30eV,根據(jù)前放142PC的使用說明書,其反饋電容為0.15pF,則Q1由公式(1)計算得到,Q2由公式(2)計算得到,增益G由公式(3)計算得到。

通過實驗測量及模擬計算相結(jié)合的方法,對探測器增益進行分析,可給出漂移區(qū)與收集區(qū)場強的參考值范圍,為探測器分壓電路的設(shè)置提供優(yōu)化參數(shù)。

7 結(jié)束語

綜上,通過ANSYS和Garfield程序相結(jié)合的方法對GEM-TEPC的電場及增益特性進行模擬研究是切實可行的,與通過實驗對增益進行測量相結(jié)合,可給出漂移區(qū)與收集區(qū)場強的參考值范圍,為探測器分壓電路的設(shè)置提供優(yōu)化參數(shù),給出探測器合理的高壓供電范圍。本工作通過模擬計算給出了探測器電場分布,并對通過Garfield程序?qū)μ綔y器增益進行計算的方法進行研究,對增益的實驗測量方法進行研究,為下一步對探測器增益進一步精細設(shè)計計算及實驗測量,對探測器工作參數(shù)進行優(yōu)化分析奠定了基礎(chǔ)。

[1] Rossi H H,Zaider M.Microdosimetry and its applications [M].Springer,1996.

[2] SAULI F.GEM:Nucl Instr Meth A[M].1997:386～531.

[3] http://www.Ansys.com/[DB/OL].

[4] http://garfield.web.cern.ch/garfield/[DB/OL].

[5] 張偉華,王志強.組織等效正比計數(shù)器的測量原理和方法[J].劑量研究,2008(3):45～54.

Simulation of Three Dimension Distribufion of Electric Field in GEM-TEPC and Methods to Study of its Effective Gain

LI Chun-juan ZHANG Wei-hua XIAO Xue-fu WANG Zhi-qiang LIU Yi-na
(National Key Laboratory for Metrology and Calibration Techniques,China Institute of Atomic Energy,Beijing 102413,China)

To optimize the design of tissue-equivalent proportional counter(TEPC)and make it satisfy the measurement of radiation field with high fluence rate,we set up a TEPC based on a Gas Electron Multiplier(GEM).The effective gain is very important for GEM-TEPC,and the key factors affecting the effective gain are the voltage of GEM electrode,the drift area field,collected area field,the gas components filling into sensitive area and the gas pressure.Three dimension distribufion of electric field in GEM-TEPC were simulated with code ANSYS,and the way how to simulate the maximum safe gain of GEM-TEPC with code Garfield and the way how to measure the maximum safe gain were studied.

GEM-TEPC Electric field Effective gain ANSYS Garfield

1000-7202(2017)01-0072-04

O571.5

A

2017-02-17,

2017-02-24

李春娟(1981-),女,副研究員,碩士,主要研究方向:電離輻射計量技術(shù)。