基于GEM读出的TPC系统中正离子反馈机制和抑制方法的研究

在TPC系统中，由端盖读出探测器反馈回漂移区的正离子，由于迁移率很低，会长时间滞留在漂移区，造成漂移电场的畸变，并导致TPC空间分辨率的降低。和传统的TPC相比，基于GEM读出的TPC系统，不仅可以极大地提高空间分辨能力，同时由于GEM自身对正离子反馈的抑制能力，可以在不采取任何门控的措施下，将TPC的正离子反馈率降低一个数量级。但此水平仍不能满足像ILC这样的物理实验对TPC性能的要求，需要研究进一步抑制正离子反馈的方法。另外正离子反馈也是将GEM膜用于成像探测器时需要解决的关键技术问题之一。本课题将对GEM膜正离子反馈机制进行系统研究，通过理论模拟和实验研究提升GEM读出探测器自身对正离子反馈的抑制能力；同时研究基于GEM膜的门控方法，包括参数的优化、脉冲门控高压的实现等，并利用实验室已有的GEM－TPC原型机，研究Gating对TPC性能的影响，对推广GEM、TPC的应用奠定基础。

本项目对GEM膜正离子反馈机制进行了深入研究，理论模拟了电子、正离子在GEM膜中的传输机制，分析了影响电子通过率、正离子反馈率的因素，具体优化了用作Gating的GEM膜的几何参数及其在TPC可能的工作气体下可以达到的最大电子通过率。同时，根据Green函数法求解泊松方程，推导和借鉴了适用于TPC的Green函数，计算了空间电荷对漂移区电场的影响，计算结果与Maxwell仿真结果相符，且更加简便和实用，为以后校正空间电荷造成的电场畸变打下了基础。在实验方面，改进了TU-TPC的field cage设计，并在GEM膜周围进入保护环，提高了漂移区电场的均匀性，明显提高了TU-TPC的分辨指标。最后对gating-GEM膜的电子通过率进行了实验研究，在最佳工作状态下，电子通过率可以达到80%，满足ILC-TPC的要求。