Abstract
Gas avalanche microdetectors, such as micro-strip gas chamber (MSGC), micro-gap chamber (MGC), micro-dot chamber (MDOT), etc., are operated under high voltage to induce large electron avalanche signal around micro-size anodes. Therefore, the anodes are highly exposed to electrical damage, for example, sparking because of the interaction between high electric field strength and charge multiplication around the anodes. Gas electron multiplier (GEM) is a charge preamplifying device in which charge multiplication can be confined, so that it makes that the charge multiplication region can be separate from the readout micro-anodes in 9as avalanche microdetectors possible. Primary electron collection efficiency is an important measure for the GEM performance. We have defined that the primary electron collection efficiency is the fractional number of electron trajectories reaching to the collection plane from the drift plane through the GEM holes. The electron trajectories were estimated based on 3-dimensional (3D) finite element method (FEM). In this paper, we present the primary electron collection efficiency with respect to various GEM operation parameters. This simulation work will be very useful for the better design of the GEM.
기체전자증폭기(GEM, gas electron multiplier)는 동박이 양면으로 도포된 절연기관에 미세구멍배열을 형성한 박막으로 기존의 기체형 방사선 검출기의 미약한 방사선 신호를 증폭하기 위해 널리 사용되어지고 있다. 미세구멍 내부에 강한 전기장을 형성함으로써 이 내부로 유입되는 전자에 충분한 에너지를 전달, 전자사태를 유도하는 원리를 이용한다. 따라서 GEM의 특성은 GEM을 포함한 방사선 검출기에 인가되는 전압 즉, 전기장의 분포에 의해 결정된다. 따라서 올바르지 못한 전기장의 분포에 대해서는 신호 전자가 수집전극으로 향하지 못하고, GEM의 상 하단의 전극으로 이동, 신호의 손실을 초래할 수도 있다. 본 논문에서는 GEM의 가장 중요한 성능 지표 중 하나인 1차 전자수집효율(primary electron collection efficiency)을 계산하였다. 방사선에 의해 발생된 전자는 전기력선을 따라서만 움직인다는 가정 하에, GEM의 단위 구조에 대해 표류전극에서의 전기력선의 수에 대한 수집전극에서의 전기력선의 수의 비로 전자수집효율을 계산하였다. 전기력선의 계산은 3차원 유한요소법을 이용하여 계산하였다. 본 논문에서 사용한 방법은 가장 이상적인 상황으로 국한되지만, GEM의 설계 및 최적 운전변수 도출에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
