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低压氢气下双增益厚气体电子倍增器的δ电子逃逸与离子回流抑制研究

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刘冠博, 刘丽艳, 李海, 罗嘉俊, 贺三军, 赵修良. 低压氢气下双增益厚气体电子倍增器的δ电子逃逸与离子回流抑制研究[J]. 物理学报, 2026, 75(12): 120201. doi: 10.7498/aps.75.20260212
引用本文: 刘冠博, 刘丽艳, 李海, 罗嘉俊, 贺三军, 赵修良. 低压氢气下双增益厚气体电子倍增器的δ电子逃逸与离子回流抑制研究[J]. 物理学报, 2026, 75(12): 120201. doi: 10.7498/aps.75.20260212
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Guanbo LIU, Liyan LIU, Hai LI, Jiajun LUO, Sanjun HE, Xiuliang ZHAO. Delta electron escape and ion backflow suppression in a dual-gain thick gas electron multiplier under low-pressure hydrogen environment[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(12): 120201. doi: 10.7498/aps.75.20260212
Citation: Guanbo LIU, Liyan LIU, Hai LI, Jiajun LUO, Sanjun HE, Xiuliang ZHAO. Delta electron escape and ion backflow suppression in a dual-gain thick gas electron multiplier under low-pressure hydrogen environment[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(12): 120201. doi: 10.7498/aps.75.20260212
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低压氢气下双增益厚气体电子倍增器的δ电子逃逸与离子回流抑制研究

  • 1.

    南华大学核科学技术学院, 衡阳　421001

  • 2.

    南华大学, 先进核能设计与安全教育部重点实验室, 衡阳　421001

  • 3.

    杭州湘亭科技有限公司, 杭州　310000

    • 作者简介: 刘冠博: 17513689025@163.com .
    通讯作者: E-mail: zhaoxiul@usc.edu.cn.

Delta electron escape and ion backflow suppression in a dual-gain thick gas electron multiplier under low-pressure hydrogen environment

  • 1.

    School of Nuclear Science and Technology, University of South China, Hengyang 421001, China

  • 2.

    Key Laboratory of Advanced Nuclear Energy Design and Safety, Ministry of Education, University of South China, Hengyang 421001, China

  • 3.

    Hangzhou Xiangting Technology Co. Ltd., Hangzhou 310000, China

    • Corresponding author: E-mail:zhaoxiul@usc.edu.cn.

  • 摘要: 横向分区双增益厚气体电子倍增器(DG-THGEM)可在同一探测器内为束流区与反冲区提供不同的有效增益, 以满足重离子束在线剂量监测对宽动态范围读出的需求. 但在低压氢气强电离条件下, 重离子诱发的δ电子逃逸降低电荷收集效率, 离子回流加剧漂移区场畸变, 从而限制增益稳定性并压缩可用工作区间. 本文以185 MeV/u 132Xe为例, Geant4用于计算能量沉积分布、r95 (95%累计半径)及δ电子逃逸率; COMSOL求解孔阵列周期电场后, 导入Garfield++进行电子漂移与倍增计算, 在E/p约化参数下扫描漂移场、跨孔电压与感应场, 建立电子透过率、有效增益与离子回流率(IBF)的响应关系. 结果表明: 随气压升高, δ电子作用范围收缩, 60—80 kPa下逃逸率约14.7%; 将主要倍增配置至第2级THGEM并提高感应场, 可在有效增益约2000、电子透过率约85%时将IBF由约50%降至约5%, 达到了在δ电子逃逸约束下实现IBF有效抑制的目的.
    Abstract: The transversely partitioned dual-gain thick gas electron multiplier (DG-THGEM) can provide different effective gains for the beam region and the recoil region within the same detector, enabling wide-dynamic-range readout for online heavy-ion beam dose monitoring. However, under low-pressure hydrogen and strong-ionization conditions, high-energy δ-electron escape reduces the primary charge-collection efficiency, while ion backflow (IBF) exacerbates electric-field distortion in the drift region. These effects jointly limit gain stability and narrow the available operating window, necessitating a quantitative assessment of the constraints imposed by δ-electron transport and IBF suppression on DG-THGEM operation. In this study, 185 MeV/u 132Xe is used as a representative heavy-ion beam. Geant4 is employed to calculate the spatial energy-deposition distribution, the 95% cumulative radius (r95), and the δ-electron escape fraction in low-pressure hydrogen. Meanwhile, COMSOL Multiphysics is used to solve the periodic electric field of the THGEM hole array, and the resulting field map is imported into Garfield++ to simulate electron drift, transport through the holes, and avalanche multiplication. By scanning the reduced field (E/p), the drift field, the voltage across the THGEM holes, and the induction field, the quantitative relationships among electron transparency, effective gain, and IBF are systematically established, and the available operating region of the DG-THGEM is evaluated under the combined constraint of δ-electron escape and ion backflow. The results show that, with increasing gas pressure, the δ-electron range decreases significantly, leading to a reduced escape fraction, which becomes approximately 14.7% at 60–80 kPa. Within this pressure interval, the radial spread of deposited energy is also better confined, indicating improved primary charge retention. Simulations of electron transport and multiplication further demonstrate that gain allocation plays a decisive role in IBF suppression. By shifting the main multiplication stage to the second THGEM and simultaneously increasing the induction field, the IBF can be reduced from about 50% to 5% while maintaining an effective gain of 2000 and an electron transparency of approximately 85%. These results demonstrate that the DG-THGEM can achieve a favorable balance among charge collection, gain, and ion suppression in low-pressure hydrogen. This work provides a quantitative simulation framework for evaluating the coupled effects of δ-electron escape and ion backflow in DG-THGEM detectors under intense heavy-ion irradiation. The identified operating window and gain-allocation strategy offer practical guidance for the design and optimization of DG-THGEM-based detectors for online heavy-ion beam monitoring and dosimetry.
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  • 图 1  DG-THGEM探测器结构示意图　(a)整个探测器示意图; (b)漂移区侧; (c)感应区侧

    Figure 1.  Schematic diagram of the DG-THGEM detector structure: (a) The schematic diagram of the entire detector; (b) drift region side; (c) induction region side.

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    图 2  DG-THGEM探测器仿真流程图

    Figure 2.  Simulation flowchart of DG-THGEM detector.

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    图 3  Geant4建模下的DG-THGEM示意图　(a)几何模型与计算域; (b)粒子输运轨迹示例

    Figure 3.  Schematic diagram of the DG-THGEM under Geant4 modeling: (a) Geometric model and computational domain; (b) example of particle transport trajectory.

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    图 4  COMSOL建模下的双增益THGEM示意图　(a) x轴横向分区子模型结构; (b) x轴镜像映射; (c) y周期扩展后的全尺寸计算域

    Figure 4.  Schematic diagram of dual-gain THGEM under COMSOL modeling: (a) The x-axis transverse partition submodel structure; (b) x-axis mirror mapping; (c) the full-size computational domain after the y-periodic extension.

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    图 5  132Xe入射DG-THGEM下能量沉积分布　(a)倍增区总能量沉积(2—8层); (b)分层能量沉积分布图

    Figure 5.  Energy deposition distribution of 132Xe incident on DG-THGEM: (a) Total energy deposition in the multiplication region (2–8 layers); (b) layered energy deposition distribution map.

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    图 6  132Xe入射DG-THGEM的能量沉积点云图　(a)能量沉积在XY与XZ平面的二维投影分布; (b)横向动量分量相关性

    Figure 6.  Energy deposition point cloud map of 132Xe incident on DG-THGEM: (a) Two-dimensional projection distribution of energy deposition on XY and XZ planes; (b) correlation of transverse momentum components.

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    图 7  不同氢气气压下的r95分布, 插图为z = 20.0—21.5 mm区间的局部放大

    Figure 7.  Distribution of r95 under different hydrogen gas pressures. The inset shows a local enlargement of the area where z = 20.0–21.5 mm.

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    图 8  δ电子能谱

    Figure 8.  Delta electron energy spectrum.

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    图 9  空间电荷线密度ρ(z)随轴向位置的分布

    Figure 9.  Distribution of the space charge line density ρ(z) along the axial position.

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    图 10  DG-THGEM电场分布与电子漂移特性　(a) Garfield++构建的双增益THGEM探测器的场线分布; (b)电场分布; (c)电子漂移线

    Figure 10.  DG-THGEM electric field distribution and electron drift characteristics: (a) Field line distribution of the dual-gain THGEM detector constructed by Garfield++; (b) electric field distribution; (c) electron drift line.

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    图 11  DG-THGEM偏压配置和有效增益响应　(a)分层电压示意图; (b)不同分区下的有效气体增益

    Figure 11.  (a) Layered voltage schematic diagram; (b) effective gas gain under different partitions.

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    图 12  (a)束流区与反冲区电子透过率随漂移场的变化; (b)电子透过率随第1片THGEM 跨孔电压ΔVTHGEM1的变化; (c)电子透过率随第2片THGEM跨孔电压ΔVTHGEM2的变化; (d)电子透过率随感应场的变化

    Figure 12.  (a) Electron transmission rates in the beam region and the recoil region as a function of the drift field; (b) the electron transmission rate as a function of the cross-hole voltage ΔVTHGEM1 of the first THGEM; (c) the electron transmission rate as a function of the cross-hole voltage ΔVTHGEM2 of the second THGEM; (d) the electron transmission rate as a function of the induction field.

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    图 13  (a) IBF随漂移场的变化; (b) IBF随跨孔电压ΔVTHGEM1的变化; (c) IBF随跨孔电压ΔVTHGEM2的变化; (d) IBF随感应场的变化

    Figure 13.  (a) Variation of IBF with the drift field; (b) Variation of IBF with the cross-well voltage ΔVTHGEM1; (c) Variation of IBF with the cross-well voltage ΔVTHGEM2; (d) Variation of IBF with the induction field.

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    表 1  δ电子逃逸概率

    Table 1.  Probability of delta electrons escaping.

    气压/kPaN1/109N2/108Eff/%
    200.8536671.5559218.2264
    401.746842.8822416.4997
    602.653884.1080515.4794
    803.569855.2651314.7489
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-02-07
  • 刊出日期:  2026-06-20

低压氢气下双增益厚气体电子倍增器的δ电子逃逸与离子回流抑制研究

    通讯作者: E-mail: zhaoxiul@usc.edu.cn.
    作者简介: 刘冠博: 17513689025@163.com
  • 1. 南华大学核科学技术学院, 衡阳　421001
  • 2. 南华大学, 先进核能设计与安全教育部重点实验室, 衡阳　421001
  • 3. 杭州湘亭科技有限公司, 杭州　310000
  • 收稿日期:  2026-02-07

摘要: 横向分区双增益厚气体电子倍增器(DG-THGEM)可在同一探测器内为束流区与反冲区提供不同的有效增益, 以满足重离子束在线剂量监测对宽动态范围读出的需求. 但在低压氢气强电离条件下, 重离子诱发的δ电子逃逸降低电荷收集效率, 离子回流加剧漂移区场畸变, 从而限制增益稳定性并压缩可用工作区间. 本文以185 MeV/u 132Xe为例, Geant4用于计算能量沉积分布、r95 (95%累计半径)及δ电子逃逸率; COMSOL求解孔阵列周期电场后, 导入Garfield++进行电子漂移与倍增计算, 在E/p约化参数下扫描漂移场、跨孔电压与感应场, 建立电子透过率、有效增益与离子回流率(IBF)的响应关系. 结果表明: 随气压升高, δ电子作用范围收缩, 60—80 kPa下逃逸率约14.7%; 将主要倍增配置至第2级THGEM并提高感应场, 可在有效增益约2000、电子透过率约85%时将IBF由约50%降至约5%, 达到了在δ电子逃逸约束下实现IBF有效抑制的目的.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 重离子放射治疗与重离子束物理实验中, 高通量束流的在线监测是保证束流成形、束流能量诊断与剂量学安全的关键环节[1]. 在线束流诊断系统通常需要在约108—109 s–1乃至更高级粒子率下, 实现对束流强度与时间结构、横向剖面与束心位置、能量损失、电荷态指征以及束晕和尾束与散射展宽的实时测量[2,3]. 在这类工况下, 监测系统不仅要具备足够的线性范围和空间分辨, 还必须在长时间照射下保持稳定运行. 已有研究提出的基于电极横向分区的双增益厚气体电子倍增器(DG-THGEM)结构主要用于时间投影室(TPC)读出等高计数率场景, 其核心是通过横向分区实现同一器件内的独立增益调节[4]. 这类结构具备在同一器件内解耦强信号与弱信号增益的优势, 有望拓展到重离子在线监测中, 用于应对强束流下的电荷淹没与空间电荷效应.

      为满足上述需求, 国内外已发展出多种气体电离探测器结构用于重离子在线监测, 包括MWPC/MWDC, MICROMEGAS, GEM/THGEM及其分区双增益级联拓扑结构等[5–7]. 围绕气体电子倍增器的增益获取与标定, 已有工作开展了增益的数值模拟与实验测量方法研究, 为增益标定与模型可信度验证提供了参考[8]. 此外, 紫外激光等可控电离手段可在微结构气体探测器中产生可重复信号, 用于探测器响应标定及指向(位置)精度评估, 为束流诊断应用提供了补充方法[9]. 基于多层GEM/THGEM的研究表明, 通过优化各级增益分配、漂移和感应场强, 能够在一定程度上兼顾较高增益和较低离子回流率(IBF), 并在γ射线、最小电离粒子(MIP)以及中等强度束流条件下, 对增益瞬变和空间电荷效应进行了较为系统的研究[10–12]. 强束流重离子场景下, 束轴区域信号过强易饱和甚至引发空间电荷效应, 而外围电离较弱又易被淹没. 横向分区双增益THGEM是在同一THGEM叠层内将电极划分为中央束流区和两侧反冲区, 并对各分区独立偏置: 中央束流区在较低增益下工作, 以抑制束轴区域的电荷淹没和空间电荷累积; 侧翼反冲区维持较高增益, 以保证反冲核、散射尾束等信号的信噪比. 通过合理设计分区电极、增益分配和电场配置, 可将束轴主要离子产生源局域化并“压低”, 在抑制IBF与场畸变的同时保持外围区域的高灵敏响应. 低压含氢体系中THGEM及其多层/双增益拓扑的可运行性已获得实验层面的直接支撑: 例如, 在低压Ne-H2 Penning混合气中实现稳定倍增并开展性能研究[13]. 此外, 在主动靶TPC等装置中, 多层THGEM (M-THGEM)可提供足够增益以支持在纯元素气体(如H2/D2/He)下运行, 并在数百Torr纯H2条件下开展束流实验[14]; 同时, 在约40 kPa高纯H2中对10 cm× 10 cm双增益多层THGEM开展放射源与重离子束流注入评估并实现束流区低增益、反冲区高增益的工作模式[15]. 然而, 针对本文关注的低压H2强重离子工况, 重离子高线性能量沉积与强δ电子分量主导下的初级电离展宽、空间电荷裕度压缩及其对分区双增益THGEM工作点设定的综合约束, 仍缺乏面向在线监测需求的系统量化评估.

      重离子诱发的高能δ射线(次级电子)在等效水中可达数毫米, 在低压气体中对应毫米甚至更大的几何尺度, 具有足以跨越倍增孔道、乃至逃出典型气体探测器的灵敏体积[16,17]. 使得基于dE/dx的标定出现表观Weff 增大、等效初级电荷Qin偏低的系统偏差; 并且δ电子沿程附加电离会增加漂移区正离子负荷, 从而压缩空间电荷裕度并降低可承受束流上限. 另一方面, 雪崩过程中产生的大量正离子部分回流到漂移区, 改变局部电场分布并引起增益随时间漂移, 在强束流与低淬灭气体条件叠加时可能加剧δ电子逃逸与增益漂移的正反馈链条[18]. 纯H2等低淬灭气体下, 雪崩辐射与电极表面二次电子发射可能触发光子反馈等二次效应, 进一步约束可实现的稳定增益与工作电压裕度. 围绕放电不稳定性的边界约束, 近年来已有针对THGEM体系临界电荷与放电概率的系统研究[19], 以及面向MPGD长期稳定运行的放电抑制与缓解策略综述[20]; 同时, 亦有工作在数值模型中显式引入光子致电离项以评估放电概率等2次效应影响[21], 以及利用Garfield++支撑的THGEM光相关器件设计研究可供参考[22]. 此外, 低压条件下多层THGEM雪崩二次闪烁光产额的实验研究也为评估光相关二次过程的重要性提供了依据[23]. 因此, 在横向分区双增益THGEM中, 高能δ电子引起的初级电离展宽与孔道内离子回之间如何联动, 以及在联动约束下如何在低IBF与高电子透过率之间实现折中, 构成低压H2强重离子在线监测中的关键科学问题.

      本文以185 MeV/u 132Xe-H2体系为对象, 构建Geant4与COMSOL-Garfield++组成的多阶段模拟流程, 定量分析DG-THGEM中高能δ电子逃逸、不同场配置下的离子回流及电子透过率的综合影响. 通过在E/p归一化参数空间中系统扫描漂移场、跨孔电压和感应场, 刻画空间电荷强度与IBF和有效增益之间的关系, 并考察电子透过率对场配置的响应特性, 据此优化双增益THGEM的场配置与增益分配, 给出兼顾IBF抑制与电子透过率, 并满足束流区与反冲区功能分工的优化方案, 为低压H2下强重离子在线监测探测器的工作点设定提供量化依据.

    2.   模拟方法与物理模型

      2.1.   双增益THGEM探测器结构

    • DG-THGEM结构示意如图1(a)所示, 沿束流方向(z轴)依次设置漂移区、倍增叠层区和感应区. 倍增区为铜电极和环氧树脂(FR4)板交替压合的多层结构, 靠近漂移区侧的铜电极为连续覆盖电极不分区, 用于抑制表面电荷积累, 感应区侧及中间若干铜电极层按束流区与两侧反冲区进行分区如图1(b), (c)所示. 铜层厚度为0.032 mm, FR4上下层厚度为0.4 mm, 中间层为0.38 mm包含薄胶层以表征贴合, 总厚度约1.312 mm. 所有铜电极与FR4层均被穿孔且共享相同孔位布局, 孔阵列参数为孔距0.7 mm、孔径0.3 mm的规则孔阵列, 孔周rim宽度为0.05 mm. 漂移气隙取20 mm、感应气隙取2 mm, 阴极为薄金属箔、下游为阳极读出板. 中间束流区宽20 mm、两侧反冲区各宽40 mm, 分界处设置2.12 mm绝缘缝以电气隔离. 孔阵列与铜电极覆盖的有效面积为10 cm×10 cm规定z = 0为漂移区入射面, x轴沿分区方向.

      本工作流程见图2, 采用Geant4, COMSOL-Garfield++联合模拟: Geant4在给定束流能量、气压与几何条件下获得一次电离能量沉积、δ电子谱及外晕尺度(如r95、逃逸率)作为源项约束; COMSOL在代表性孔阵列上求解静电场并导出场图供Garfield++调用; Garfield++(含Magboltz)基于外场与气体输运/倍增参数模拟电子漂移与雪崩过程, 计算电子透过率、有效增益与离子回流(IBF), 并对场参数进行扫描得到响应面.

      • 2.2.   Geant4建模和δ电子判据

    • 本文采用GEANT4 11.1.0[24]构建185 MeV/u 132Xe在低压 H2气中的几何模型及粒子输运过程, 如图3(a), (b)所示, 用于提供能量沉积以及高能δ电子的空间展宽约束. 强子相互作用部分采用QGSP_BIC框架以描述重离子在气体与固体叠层中的核反应及次级碎片产生; 电磁过程采用低能电磁模型(G4EmLivermorePhysics)以提高keV—MeV能区电子相关过程的截面精度, 并通过设置合适的二次粒子产生阈值(production cuts)保证δ电子谱与射程评估的可靠性. 几何上包含20 mm漂移H2, DG-THGEM叠层与2 mm收集区, 并显示区分束流区和反冲区的横向体积以便进行跨区统计.

      束流在入射面定义为平行单色离子束, 横向为高斯分布(σx = σy = 1 mm), 每个工况投掷1×106个事例以将主要统计量的不确定度控制在约2%以内. 能量沉积与轨迹信息通过SteppingAction逐步计分, 能量沉积的计分采用“体积、事例、步长”三级累积, 对每一步记录粒子在各体积内的能量损失ΔE, 并按体积求和得到该事例的总沉积Edep, 输出ROOT树用于后处理. 基于能量沉积分布, 按W(H2) = (36±0.7) eV(统计不确定度)计算初级电子数N0; 同时为刻画δ电子导致的横向扩散与可能的串扰风险, 进一步计算径向累计分布函数. 以束流轴为中心, 定义计分点的径向距离$ r= \sqrt{{x}^{2}+{y}^{2}} $, 并对气体沉积(或等价的N0)作累计:

      其中, r95的物理含义为95%的有效电离被限制在r95以内. 该指标同时对束斑本征尺寸与δ电子散布敏感, 因而可直接用于评估不同气压下束流区最小横向宽度及束流区和反冲区隔离裕度, 为后续分区电场与增益分配提供几何约束边界.

      本文将约化场强(在理想气体且温度近似恒定时等价于E/p)作为电子群输运与反应系数的归一化自变量, 依据的是空间均匀、准稳态、弱电离(电子-电子/电子-离子库仑碰撞与空间电荷反馈可忽略)条件下Boltzmann方程的相似性. 当重离子强电离或高通量束流导致局部电荷密度升高, 使得Debye长度为

      式中, ε0为真空介电常数, kB为Boltzmann常数, Te为电子温度, ne为电子数密度, e为基本电荷. 当Debye长度与倍增孔尺度同量级, 或离子空间电荷在脉冲、高通量条件下显著改变局部电场时, 将外加场视为普适缩放参数的假设将不再严格成立. 本文在此情形下的扫描结果应理解为忽略电荷反馈的基线趋势, 并在本文讨论中给出适用边界与不确定性说明. 将初级电离电子按单位长度线密度均匀放入半径为rcore圆柱, 估算:

      式中, ne为估算电子数密度, dN/dx为单位长度初级电子数, rcore为初级电离电子分布的特征半径.

      采用W(H2) = 36 eV将能量沉积换算为初级电子数的方法, 并用典型每个重离子事例产生的总初级电子数N0 ~ 103—4×103作为估算量级, 在漂移长度L≈20 mm时有dN/dx ~ 50—200 e–/mm. 这里最大的敏感性来自rcore取为1 μm, 10 μm, 100 μm, 对应电子数密度为1012—1016 m–3, 得到的Debye长度为0.03—3 mm. 当λD明显小于或接近THGEM孔尺度(孔半径约0.15 mm)时, 可得到从“λD明显小于孔尺度”到“λD与孔尺度同量级甚至更大”的全谱系结果. 空间电荷可能开始改变局部电场分布, 此时输运与倍增过程将不再严格由外加E/p决定. 在高瞬时电离密度或强脉冲束流情况下, 需要进一步通过自洽的瞬态模型或实验测量来评估空间电荷导致的偏离.

      δ射线判定条件为: e– 动能>50 keV并离开THGEM下表面或侧壁, 即计为逃逸. 标记δ电子并记录其产生位置、初始能量与动量方向. 考虑DG-THGEM的横向分区结构, 本文给出两类逃逸/跨区判据: 其一为跨区, δ电子在完全制动前穿越束流区与反冲区的分界面(含绝缘缝边界); 其二为出射, 即δ电子携带部分能量穿出气体计分体积边界, 导致气体内能量沉积统计值偏低. 相应统计量定义为

      其中fesc为气压p下δ电子逃逸率, Nesc为满足逃逸判据的δ电子数, Nδ为动能超过阈值的δ电子总数. 对不同气压重复流程即可得到fesc(p)等压强依赖量.

      此外, 为表征强重离子束在漂移区形成的瞬时空间电荷源项, 沿z轴对漂移气体分片(厚度Δz), 统计每片内的气体沉积Edep, 并换算得到线电荷密度:

      式中, $ {E}_{l}(z) $表示在轴向位置z附近、厚度为Δz的分片内, 第l个物理层中由入射重离子及其次级粒子产生的能量沉积; $l\in \rm layers $表示对所选倍增相关层进行求和. 该能量沉积经W值换算为初级电离电子数, 再乘以电子电荷e, 并除以分片厚度Δz, 即可得到轴向空间电荷线密度ρ(z); 若需与电场畸变直接对接, 还可进一步除以有效横截面积A得到体电荷密度ρsc(zk) = ρ(zk)/A. 该ρ(z)作为源项强度输入, 与2.3节得到的电子透过率、IBF响应共同构成工作窗口评估的基础.

      • 2.3.   COMSOL-Garfield ++建模和电场求解

    • 研究电子迁移行为使用的模拟软件主要是COMSOL[25]和Garfield++[26]. 用于静电场求解的COMSOL简化子模型如图4(a)所示. 为避免对10 cm×10 cm全尺寸孔阵列进行直接网格划分与求解, COMSOL中仅建立包含完整z向层叠结构的子模型: 在x方向利用探测器左右结构的镜像对称性, 仅保留半侧结构; 在y方向仅保留少量孔周期作为代表性条段. 图中灰色半透明体表示气体求解域(漂移/传输/感应间隙), 蓝色线框用于突出DG-THGEM的几何边界(电极与孔洞轮廓). COMSOL得到的网格与电场计算通过ComponentComsol导入Garfield++. 随后进行x向镜像映射与y向周期平铺展开, 从而等效重建横向条带结构与全尺寸10 cm×10 cm探测器区域, 如图4(b), (c)所示(图4(b), (c)为重建方法示意图). 工作电场方面, 漂移电场设为0.4 kV/cm; 考虑中间介质层含薄胶层且存在厚度差异, 3个极板间的电压差分别设定并在后续扫描中单独调整. 感应区电场采用分区配置, 束流区为2.45 kV/cm, 反冲区为0.945 kV/cm.

      COMSOL计算得到的静电场在设定参数网格下导出为场图并导入 Garfield++, 用于电子输运、倍增及离子回流(IBF)计算. 扫描以E/p归一化为主线, 对漂移场Ed、两级跨孔电压ΔVTHGEM1与ΔVTHGEM2以及感应场Ei进行网格扫描, 从而获得电子透过率、IBF与有效增益在参数空间的响应关系; 通过单独调节末级抽取相关电极电势的方式, 评估抽取场对透过率与IBF的影响, 并采用整体偏置缩放因子k快速覆盖不同增益档位. Garfield++中气体输运与电离系数由Magboltz给出, 电子雪崩采用AvalancheMicroscopic逐粒子追踪; 雪崩离子在同一静电场中漂移并统计返回漂移区的比例以得到IBF. 初级电子在漂移区按设定束斑分布注入, 并在束流区与反冲区分别计分以对应分区读出. 为估算光子反馈对探测器工作的影响, 本文采用简化反馈模型进行量化评估. 设单位雪崩电子产生的光子数谱密度为Sγ, 铜电极光电产额为YCu, 几何传播因子为f, 电子抽取与输运概率为Pe, 则每个雪崩电子通过光子产生-光电发射-二次电子注入链路产生的平均反馈电子数为$\varphi = S_{\gamma}Y_{\rm Cu} f P_{\rm e}$. 在最简反馈级数模型下, 有效增益满足$G_{\rm eff} = G_0/(1- \varphi)$, 其中G0为无反馈时的名义增益. 当$\varphi \lt 1$时系统保持稳定, 不会产生自激反馈. 结合氢气在VUV波段的吸收特性与铜电极光电产额的合理范围估算[27,28], 在本文工作区间内通常满足φ$\ll $1, 对应的有效增益与离子回流仅产生有限修正, 不改变本文讨论的电子输运与倍增规律. 需要指出的是, 本文未对光子输运过程进行自洽模拟, 上述结果属于参数化估算, 这构成当前工作的一个局限.

    3.   Geant4结果: δ电子和一次电离

      3.1.   能量沉积与径向累计分布

    • 185 MeV/u 132Xe入射DG-THGEM后在9个物理层(H2-1, Cu-2, FR4-3, Cu-4, FR4-5, Cu-6, FR4-7, Cu-8, H2-9)中的总能量沉积分布直方图和倍增区能量沉积图如图5(a), (b)所示. 各层分布均呈低沉积主峰+高能长尾的形态, 主峰反映一次电离与连续能损主导的典型事例, 而长尾来自少量大能量转移碰撞形成的δ电子, 其在单个层内会造成偶发的高Edep记录. 对比不同材料可见, Cu与FR4层的长尾相对更突出, 说明在高密度固体中δ电子更易产生并在短程内被制动沉积; 两端气体层分布更集中, 更直接对应可收集的气体电离信号. 进一步地, 3个Cu层与3个FR4层的谱形与尺度基本一致, 说明几何与束流条件在仿真中具有良好复现性, 分层统计可作为后续耦合计算的稳定输入. 该结果也提示, 在评估电子学动态范围或将Edep换算为离子对数时, 应采用稳健统计量并对重尾单独量化, 否则均值会被少量极端δ事件显著抬高, 从而高估典型工作点下的电离负荷与空间电荷强度.

      能量沉积在XY与XZ平面的二维投影及相关性如图6(a), (b)所示, 用于区分主离子径迹与δ电子外晕. 图6(b)为二次电子横向动量分量px与py的二维相关分布, 其中横轴为px, 纵轴为py, 单位均为MeV/c, 颜色条表示对应动量区间内的粒子计数. XY投影中, 沉积分布以束轴附近为中心且近似圆对称, 说明二次电子在无磁场条件下并不存在明显的方位偏置; 除中心高强度区域外, 还可见向大半径延伸的稀疏沉积点云, 对应δ电子在气体中的散射外延, 是潜在串扰与基线抬升的主要来源. XZ投影中, x ≈ 0处出现贯穿z方向的窄而连续的高强度主脊, 表明主离子径迹笔直且横向展宽很小, 强信号主要集中在束轴附近; 离轴区域仅有低强度弥散背景, 反映δ电子贡献的长尾.

      不同氢气压力下气体中电离能沉积的95%径向约束半径r95随深度的变化如图7所示. 其中z ≈ 20 mm为漂移间隙出口处、紧邻THGEM1上游. 可以看到, 显著展宽仅出现在漂移间隙出口处: r95随压力由约3 mm增至约7 mm; 该压力依赖主要源于δ电子外晕对离轴沉积的贡献及其随压力变化的逃逸/截断效应, 而非初级重离子在20 mm低压氢气中的多重散射展宽. 进入倍增叠层区后(z > 20.2 mm), r95迅速降至约2.4×10–2 mm且几乎不随压力变化, 这一段横向串扰与分区隔离的关键尺度由漂移间隙出口处的r95决定, 因此束流区宽度与分区边界应以z ≈ 20 mm的r95作为保守设计依据(误差条为统计不确定度).

      • 3.2.   δ电子能谱与逃逸率

    • 二次电子能谱呈现典型的低能占主导+高能长尾形态, 如图8所示, 在对数纵轴下, 计数随动能Ek增大快速下降, 说明绝大多数二次电子集中在数keV以内. 这类低能电子在气体中的射程较短, 主要造成局域电离与局域信号贡献; 同时谱上仍可见延伸至约50 keV的稀疏高能尾部, 虽然占比很小, 但更可能产生较长射程/跨区传播, 是潜在的逃逸与串扰来源. 因此, 后续研究方向与结构优化应重点抑制或“钝化”这部分高能尾部的影响.

      N1为在倍增体有效体积内沉积的电离电子总数, N2为穿出该体积的逃逸δ电子数, 具体结果如表1所列. 随气压升高, N1, N2均近似线性增大, 而N2/(N1+N2)从约18%逐渐降至约14%, 即δ电子射程随气压升高而缩短, 逃逸概率得到抑制.

      • 3.3.   瞬时空间电荷线密度

    • 空间电荷线密度ρ(z)随轴向位置的分布如图9所示. 红、蓝曲线分别为上游倍增和下游倍增段, 绿色为总和除去漂移和收集区总的倍增段. 两簇峰分别集中在z ≈ 20.3—20.6 mm与z ≈ 21.0—21.4 mm, 峰值约达10–10 C/mm, 显示空间电荷主要局域于各倍增孔出口/入口附近的强场区; 两峰之间的低谷对应转移间隙, 产额显著 降低.

      空间电荷在双级THGEM的两段增益区内呈强烈的轴向局域化, 上下两峰的轴向间距0.5—1.0 mm, 反映了电极厚度与转移间隙的几何尺度. 绿色总曲线与分段曲线吻合良好, 表明空间电荷主要由倍增区的离子堆积贡献; 峰值与基线(10–12 C/mm)相比存在约两数量级差异. 此分布对器件性能具有直接影响: 一方面, 靠近漂移区的上游峰(红)决定了离子回流的上限; 另一方面, 下游峰(蓝)与读出间隙耦合, 可能导致局部场畸变与瞬时增益压降. 据此可通过调节转移场/倍增场比值、优化孔缘几何和间隙长度来抑制峰值并展宽分布, 从而降低空间电荷效应.

    4.   COMSOL-Garfield ++耦合结果分析

      4.1.   场结构与电子输运

    • DG-THGEM在横向分区下整体静电分布较为均匀, 如图10(a), (b)所示, 等势面在大多数孔阵列区域保持平直连续, 仅在分区边界附近出现局部畸变, 说明束流区与反冲区的电耦合得到抑制. 强电场主要集中在孔入口与出口附近, 形成漏斗式聚焦结构, 而漂移间隙与感应间隙内场形相对平滑. 电子漂移线如图10(c)表明, 初级电子在孔口被聚焦进入孔道并沿孔轴向传输, 随后被抽取至下游读出区域, 横向扩散较小. 上述场形为获得较高电子透过率并通过场比进一步调控IBF提供了基础.

      • 4.2.   有效气体增益

    • 图11(a)所示为分层电位分配. 可以看出, 在上游漂移区保持近似恒定的漂移场, 而在倍增叠层区域电位以台阶形式快速下降, 表明主要电势降集中在孔/介质层附近, 从而为孔口聚焦与孔内雪崩提供了足够的场强储备. 束流区与反冲区的有效气体增益Geff随归一化场强E/p的响应差异如图11(b)所示, 直观体现了双增益结构的功能分工. 可以看到, 在较低的E/p(从接近1迅速提升至102—103量级)时, 反冲区倍增段对场强更敏感、能够在温和的归一化场下获得足够高的放大以覆盖弱电离信号; 相比之下, 束流区在更高的E/p (约30—60 V·cm–1·mbar–1)区间内才出现显著增益上升, 并在中等E/p下维持较低增益, 更适合强信号不饱和测量. 两组曲线均呈随E/p增大而快速增长的趋势, 且在高E/p端误差棒增大, 提示增益涨落与接近放电阈值的风险上升. 综合信号动态范围与稳定性, 反冲区宜选取能稳定获得102量级增益的E/p区间, 而束流区则优先工作在Geff维持个位数至十级的窗口, 以实现双区读出的增益解耦与量程覆盖.

      为便于将能量沉积、传输损失与有效输出电荷统一到同一量纲, 本文采用(6)式对测量电荷进行估算:

      式中, 将粒子在长度dX内的沉积能量ΔEdep = (dE/dx) dX换算为原初电离电子数N0 = ΔE/W, 从而原初电荷为Q0 = eN0. 电子在进入倍增孔前的传输/收集损失用(1 – εe)统一表征, 使得到达倍增区的有效输入电荷为Q0(1 – εe), 其中εe表示电子在漂移至倍增孔过程中的传输/收集损失系数; 随后由εd表征倍增与抽取/收集的综合有效贡献(等效于有效增益因子), 得到最终有效输出电荷. 由此可见, “有效输出”不仅受场强配置影响, 还受原初电离强度与电子损失项共同约束, 为比较不同分区与不同工作点下的输出尺度提供了统一量纲的判据. Qmeas则由COMSOL–Garfield++联合模拟直接获得: 对每个初级电子进行漂移与雪崩倍增跟踪, 统计最终到达读出电极的电子总数Nout, 并取Qmeas = eNout.

      • 4.3.   电子透过率-IBF-增益分配的耦合

    • 电子透过率对漂移场、两级跨孔电压及感应场均呈现明确的响应规律, 如图12所示, 且束流区与反冲区存在一定差异. 首先, 透过率随漂移场变化表现为典型的最优区间, 在低漂移场下电子收集不足导致透过率偏低, 而漂移场继续升高会因孔口聚焦条件恶化使入孔效率下降, 从而出现饱和甚至回落; 本工作中最优范围约位于Ed ≈ 1.0—1.2 kV/cm. 其次, 跨孔电压提升可显著改善入孔聚焦与传输: ΔV12在约650—700 V附近已接近饱和, 继续升高的增益有限; 相比之下, ΔV34在约600 V处仍处于线性提升阶段, 表明第2级对后段传输更敏感. 最后, 感应场对两分区呈现“权衡”特征: 适当降低束流区感应场并提高反冲区感应场可获得更高阳极透过率. 综合“高透过率与放电裕度”, 推荐窗口为ΔV12 = 650—690 V, ΔV34 = 550—600 V, Ed ≈ 1.1 kV/cm, 并将感应场选在束流区Ebeam ≈ 2.05—2.15 kV/cm、反冲区Erecoil ≈ 1.2—1.4 kV/cm, 为后续与IBF和有效增益的联合选点提供约束.

      IBF随漂移场、两级跨孔电压及感应场变化的系统规律如图13所示, 体现了IBF与电子透过率/增益分配之间的耦合约束. 总体而言, IBF随漂移场增强而上升, 说明更强的上游电场会更有效牵引正离子向漂移区回流. 因此, 漂移场不宜单纯取高, 应在保证透过率与时间响应的前提下选择中等区间. 跨孔电压方面, IBF对两级电压的响应体现出明显的增益分配效应: 上级(L1/L2)跨孔电压提高会在更靠近漂移区的位置产生更多离子, 使回流比例更易升高; 而提高下级(L3/L4)增益权重、形成下级主放大、上级弱放大的配置, 可显著压低IBF并改善回流裕度, 表明抑制IBF的关键不在于一味降低总增益, 而在于将离子产生位置下移并加强下游抽取. 感应场是IBF最敏感的调参旋钮之一, 提高感应场可增强下游抽取并抑制离子向上返回, 使IBF可压至约20%量级并进入平台, 但进一步提高的边际收益有限且会压缩放电裕度. 综合上文高透过率窗口, 建议采用中等漂移场+较高但安全的感应场+下级主放大的联合工作点, 以同时满足高透过率、低IBF与稳定增益的三重约束.

    5.   结　论

    • 本文针对20—80 kPa低压氢气强电离工况下DG-THGEM的可用工作窗口, 基于Geant4源项刻画与COMSOL-Garfield++场输运参数扫描, 定量分析了δ电子逃逸与电子收集/传输的约束关系. 结果表明, 高能δ电子是导致长程电离与逃逸的关键分量, 且随气压升高其逃逸概率由20 kPa的18.2%单调下降至80 kPa的14.7%, 说明提高气压可在源头削弱电荷损失与离轴沉积带来的潜在串扰风险. 同时, 电离沉积的横向有效包络主要由漂移区决定: 在z ≈ 20 mm(漂移间隙出口、进入THGEM1前)处r95由约3 mm增至约7 mm, 而进入倍增叠层后r95迅速收束至约2.4×10–2 mm且几乎不随气压变化, 表明孔结构对横向扩散具有强束缚作用, 因此分区边界的设计裕度应以漂移出口处的r95作为保守尺度而非孔内传播尺度. 在电子透过率方面, 漂移场存在最优窗口, 推荐Ed ≈ 1.0—1.2 kV/cm, 并在兼顾放电裕度与透过率的前提下给出ΔV12 = 650—690 V, ΔV34 = 550—600 V的基础工作区间, 为后续IBF抑制选点提供了明确的前提约束. 进一步地, IBF的抑制主要取决于离子产生位置与下游抽取能力的联合调控: IBF随漂移场增强而上升, 上级跨孔电压升高会使离子产生更靠近漂移区、从而不利于回流抑制; 相反, 通过下级主放大、上级弱放大的增益分配将离子产生位置下移, 并提高感应场增强下游抽取, 可在不显著牺牲总有效增益的条件下显著降低IBF. 在本文给出的联合选点中, 当有效增益约2000、电子透过率约85%时, IBF可由约50%降至约5%, 实现了δ电子逃逸约束下仍能获得可用增益并有效压低离子回流率. 需要指出的是, 本文仿真基于固定外加电场, 空间电荷反馈未进行自洽, 因此所得高透过率-低IBF特性可视为空间电荷效应自洽前的上限估计. 未来可通过瞬态耦合模拟或实验测量进一步验证空间电荷效应的影响. 上述结果可为空间辐射监测与重离子治疗束流在线剂量/剖面测量提供DG-THGEM的可选工作窗口与关键设计约束, 从而实现宽动态、低离子回流率的稳定读出.

    参考文献 (28)

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