低温高密核物质测量谱仪(CSR External-target Experiment，简称CEE)建成后，将成为我国第一台运行于GeV能区，基于国内核物理大科学装置HIRFL-CSR的大型核物理实验装置。其主要科学功能是利用粒子在磁场中的偏转，通过测量粒子的径迹和飞行时间实现该能区的重离子碰撞中带电粒子产物的近全空间测量，图1为其总体结构示意图。其中TPC (Time Projection Chamber) 作为径迹探测器用于测量带电粒子径迹，并给出动量进行粒子鉴别。CEE-TPC的设计中拟选用多层级联的GEM作为其端盖倍增读出探测器，TPC所需要测量的目标反应产物包括π、p、d、t、³He、⁴He，计算得到的π介子的电离能损约为2.2 keV，⁴He的电离能损约为13.4 keV，分别为上述反应产物中能损的最小值和最大值。根据上述能损信息及CEE-TPC所选用读出电子学(SAMPA^[1]，其输入动态最大值为100 fc)和读出Pad的初步设计，计算得到GEM读出探测器的增益应取2 000左右。基于此并结合CEE-TPC中GEM读出区的结构设计，本文通过实验对GEM探测器内不同区域的电场如何影响GEM传输特性从而影响探测器有效增益这一特点进行了系统的研究，通过此研究可以检验GEM是否可以满足CEE-TPC的应用，如满足要求可进一步为CEE-TPC中级联GEM工作点的选择提供可靠的参考。本文同时进行了探测器能量分辨的测试，用以辅助研究GEM雪崩状态；另外，CEE中要求TPC动量分辨π、p典型值5%且总体优于10%，推算出探测器能量分辨应好于26%，本文测试也可为此提供参考。

图  1  (在线彩图) CEE总体概念图

本文分为五部分，首先介绍了GEM探测器的应用背景，其次介绍了单层及双层GEM的结构特点及实验装置；第三部分以及第四部分，分别研究了单层及双层GEM在不同电场条件下的传输特性的变化对探测器有效增益和能量分辨的影响；最后为文章的总结。

图2为单层GEM探测器和双层GEM探测器的结构示意图，均由漂移极、GEM膜、读出极组成。探测器采用欧洲核子中心(CERN)生产的标准GEM膜，由50 μm厚的聚酰亚胺(kapton)膜做为基材，两侧各覆盖5 µm厚的铜作为电极构成。GEM膜孔径70 μm，孔中心距140 μm，相邻孔呈正三角形分布^[2]。漂移极采用13 µm的双面镀铝Mylar膜拉制而成。实验中GEM探测器的结构与CEE-TPC中的结构保持一致，漂移区间距、传输区、感应区间距均为2 mm。

图  2  (在线彩图)单层(a)和双层(b)GEM探测器的结构示意图

实验中采用P10气体(90%Ar+10%CH₄)，工作在常压流气模式下。单层GEM探测器中，漂移极与GEM膜之间的区域为漂移区，漂移电场由E_D表示；GEM膜与读出阳极之间的区域为感应区，感应电场由E_I表示。双层GEM探测器中，两层GEM之间的区域为传输区，传输电场由E_T表示。实验使用5.9 keV的⁵⁵Fe放射源进行测试，X射线在漂移区与氩原子相互作用使其电离产生电子离子对，大部分原初电离电子在漂移区电场的作用下漂移到GEM孔间进行雪崩，单层GEM产生的雪崩电子经感应区由读出极收集，双层GEM中上层GEM孔间产生的雪崩电子经传输区进入到下层GEM孔间再次雪崩，最后由读出极收集，读出极测到的增益定义为探测器的有效增益。实验中阳极信号与收集到的电荷数成正比，在探测器正常的工作状态下，有效增益的变化可反映出传输性能的变化^[3-4]，本文主要通过控制变量法对GEM的传输性能进行研究。实验中阳极信号经电荷灵敏前放(142PC, ORTEC)、主放(572A, ORTEC)最后由多道分析器(ASPEC-927, ORTEC)获取，测试实物图如图3所示。

图  3  (在线彩图) 实验装置实物图

在单层GEM测试中，首先需要确定GEM的最佳工作电压区间，根据以往的模拟结果^[5]，漂移区电场设定为1 kV/cm，感应区电场设定为4 kV/cm，GEM压差ΔV_GEM的测试范围为350~450 V。随着GEM上下电极的压差ΔV_GEM的增大，GEM孔间电场逐渐增大，导致雪崩倍数增大，探测器的有效增益随之增大^[6]；随着GEM压差的增大，能量分辨变好，ΔV_GEM大于430 V时分辨好于20%，如图4所示。

图  4  单层GEM有效增益(a)及分辨随GEM压差的变化

根据上述GEM工作电压的测试结果，在单层GEM探测器的测试过程中，取ΔV_GEM为410 V作为GEM的工作电压，图5分别展示了E_I分别为1, 4, 6, 8 kV/cm时，E_D的变化对有效增益的影响；图6为E_I取不同值时，E_D的变化对探测器能量分辨的影响。

图  5  E_I分别为1, 4, 6, 8 kV/cm时，有效增益随E_D的变化

图  6  (在线彩图)单层GEM探测器中E_I固定时能量分辨随E_D的变化

E_D小于1.3 kV/cm时，由图5可发现，随着E_D的增大，探测器有效增益增大。此阶段有效增益变化的主要原因为原初电离电子在漂移区内的复合变小，漂移区中有更多的原初电离电子数可以进入到GEM雪崩区参与雪崩^[7-9]；图6中能量分辨的变化也可印证此点，因为漂移区电子复合几率减小，使得能量分辨变好。

E_D大于1.3 kV/cm且小于4.5 kV/cm时，由图5(b~d)可发现，随着E_D的增大，有效增益减小。此阶段主要原因为终止在GEM上表面电极的原初电离电子增多，即GEM膜电子透过率降低，进入到小孔内参与雪崩的电子几率减小，同时导致此阶段能量分辨随E_D的增大变差，如图6所示。

E_D大于4.5 kV/cm且小于5.5 kV/cm时，由图5(c~d)可见，随着E_D的增大，有效增益转而增大。此阶段有效增益变大的主要原因为漂移区电场的增大使GEM孔间的电场增强及GEM孔间雪崩区域增大^[5]，使得GEM孔间增益的增大量超过电子透过率的减小量，所以有效增益转而变大；另外，此阶段GEM膜的电子透过率减小放缓使能量分辨基本保持不变，如图6所示。

E_D大于5.5 kV/cm时，由图5(c~d)可见，随着E_D的增大，有效增益急剧增大。主要原因为GEM孔间雪崩区开始由小孔向孔外(漂移区)延伸，导致有效增益增大^{[5, 10]}；由于雪崩区向漂移区的延伸，原初电子在漂移区产生预防大，预防大的倍增电子部分终止在GEM上表面^{[3, 5, 10]}，从而使能量分辨快速变差。

图7为实验测得的漂移区电场E_D分别为0.5, 1, 2, 4 kV/cm时，有效增益和能量分辨随着感应区电场E_I的变化。E_I从1 kV/cm增大到5 kV/cm时，由图7(a)可发现，随着E_I的增大，有效增益变大，一方面因为感应区电场的增强，使更多的雪崩电子的终止位置由GEM下表面电极转移到读出极上，使有效增益增加，另一方面感应区电场增强使GEM孔内电场增强，此阶段也会使有效增益增大；以上两点也可用于解释此阶段能量分辨的变化。当E_I大于5 kV/cm小于7 kV/cm时，感应区电场的增强使GEM孔间电场增强，GEM孔内的增益的增大成为主要影响因素，从而使有效增益指数增大；此阶段内GEM孔间雪崩涨落的减小也成为能量分辨变好的主要因素。E_I大于7 kV/cm后，GEM孔间雪崩区向感应区延伸，导致有效增益呈指数增大。

图  7  (在线彩图)单层GEM探测器中E_D固定时，有效增益(a)与能量分辨(b)随E_I的变化

双层GEM探测器工作时，上层GEM雪崩产生的电子漂移到下层GEM小孔中再次参与雪崩，其数量远大于在上层GEM小孔中参与雪崩的原初电子数，所以为保证下层GEM长期稳定工作，上层GEM电压较高时，下层GEM工作电压一般保持在较低的电压差。图8展示了双层GEM不同的电压分配对探测器有效增益及能量分辨的影响。

图  8  (在线彩图)双层GEM探测器中电压分配对有效增益(a)和能量分辨(b)的影响

根据单层GEM的测试结果选定E_D、E_T、E_I分别为1，2，4 kV/cm；上层GEM压差ΔV_GEM1设定为320, 340, 360, 380, 400及420 V，下层GEM压差ΔV_GEM2的变化从200 V增大到400 V。如图8所示，随着ΔV_GEM2的增大，因为下层GEM雪崩增益变大，使有效增益呈指数增长, 且引进的雪崩涨落逐渐变小，能量分辨逐渐变好并趋于稳定。下层GEM电压确定后，上层GEM电压越大，整体探测器的雪崩涨落变小，能量分辨变好。

上层GEM雪崩产生的电子的终止位置可分为四部分，如图9所示。第一部分，雪崩后立刻被上层GEM下表面电极收集；第二部分，在向下层GEM漂移的过程中，与正离子或气体分子复合；第三部分，漂移到下层GEM小孔中参与再次雪崩；第四部分，被下层GEM的上表面电极收集。上述过程中只有第三部分电子可能会在读出阳极上感生信号，而当两层GEM的压差、漂移区电场E_D、感应区电场E_I确定的情况下，传输区电场的大小直接影响到总增益的大小，即可反映出E_T对传输性能的影响。在双层GEM探测器的研究中，两层GEM之间的传输区，可分别看作为上层GEM的感应区以及下层GEM的漂移区，从而与单层GEM的测试结果对比研究。

图  9  (在线彩图)双层GEM探测器中有效增益(a)和能量分辨(b)随E_T的变化

实验中设定漂移区电场E_D=1 kV/cm，感应区电场E_I=4 kV/cm，两层GEM压差ΔV_GEM的总和、上层GEM压差、下层GEM压差分别设定为640 V (340 V/300 V)、640 V(330 V/310 V)、620 V(330 V/290 V)、620 V(320 V/300 V)，用以对比同样的总电压不同的电压分配下有效增益及能量分辨随E_T的变化^[10]。实验结果如图9所示。

当E_T增大时，可视为上层GEM的感应区电场增大，亦可视为下层GEM漂移区电场增大。

当E_T小于1.5 kV/cm时，对于上层GEM，E_T增大即感应区电场增大，更多的雪崩电子的终止位置由上层GEM下表面变到下层GEM小孔间，使得有效增益增大；对于下层GEM，E_T增大即漂移区电场增大，电子在传输区的复合变少，有效增益增大。两者共同作用使得双层GEM有效增益增大，能量分辨变好。

当E_T大于1.5 kV/cm小于4.5 kV/cm时，对于上层GEM，E_T增大即感应区电场增大，更多的雪崩电子的终止位置由上层GEM下表面变到下层GEM小孔间，使有效增益增加；对于下层GEM，E_T增大即漂移区电场增大，使其电子透过率降低，有效增益减小；两种情况同时作用，前者作用效果大于后者，使得双层GEM有效增益变大，能量分辨变好。参考图5及图7，此结果与单层GEM测试结果一致。

当E_T大于4.5 kV/cm时，E_T增大，上层GEM因其感应区电场增大，使其GEM孔间雪崩电场增强且雪崩区域增大，使有效增益增大；E_T增大，下层GEM漂移区电场继续增大，下层GEM孔间电场增大带来的增益增大的影响，大于电子透过率减小带来的影响，所以有效增益增长变快，且两层GEM的孔间电场分布区域相对稳定，能量分辨到达坪区。此结果与单层GEM测试结果一致，参考图5~7。

通过实验本文系统地研究了GEM探测器漂移区电场、传输区电场、感应区电场对探测器有效增益及能量分辨的影响。结果表明，漂移区电场E_D对GEM传输特性的影响，主要表现在改变漂移区内电子复合、改变GEM膜的电子透过率以及改变GEM孔间电场强度及分布等方面。感应区电场E_I对GEM传输特性的影响主要表现在改变雪崩电子的分布、改变GEM孔间雪崩电场的强度及区域等方面。在研究双层及多层级联GEM探测器中传输区电场E_T对GEM探测器传输特性的影响时，可将传输区电场分别看作为上层GEM的感应区电场和下层GEM的漂移区电场进行分析，文中分别对其进行了讨论，实验表明E_T对有效增益的影响与单层GEM的测试结果一致。

根据实验结果，在CEE-TPC的后续实验中，可通过调整GEM读出探测器不同GEM间的电压分配及不同区域的电场强度，来满足TPC的增益要求，使TPC可以实现CEE中反应产物的全测量；在此基础上可以通过细致的调节以上参数，使GEM读出区的传输特性达到最佳。