Simulação com o Garfield

Simulação com Garfield:
Características Gerais
Maybi Fálker Sampaio
([email protected])
Março/2017
Sumário
1. Introdução
2. O Garfield
3. Exemplos de simulação
3.1 Propriedades do Gás
3.2 Campo e potencial elétrico
3.3 Efeito Avalanche e Ganho
3.4 Pulsos Elétricos Induzidos
3.5 Absorção de Raios X
4. O Garfield ++
5. Conclusão
6. Referências
Introdução
• Simulações são uma importante ferramenta de pesquisa. Com o auxílio de
ferramentas computacionais é possível fazer previsões e/ou propor melhorias em
um arranjo experimental sem ter que realmente fazer experimentos no laboratório, o
que poupa tempo e recursos em muitas situações;
• São bastante úteis também quando certas características são difíceis de observar,
como seções de choque ou a fotoabsorção no gás no detector, por exemplo. Ou
mesmo quando se está interessado em estudar fenômenos complicados.
O Garfield
• O Garfield é um dos programas mais usados para simulação de detectores a gás. Foi
desenvolvido por Rob Veenhof no CERN ;
• Pode calcular e traçar o campo elétrico e linhas equipotenciais, linhas de deriva de
elétrons e íons, sinais induzidos devido à passagem de partículas através da câmara,
velocidade de arrasto e difusão em misturas gasosas, entre outras características.
O Garfield
• O cálculo dos campos elétricos é possível pela interface com programas de métodos
de elementos finitos e elementos de contorno. A opção padrão é o programa neBEM (A
Boundary Element Method), mas é possível utilizar diversos programas com a mesma
funcionalidade, como ANSYS, QuickField, entre outros;
• O Garfield possui ainda uma interface com o Magboltz para o cálculo das
propriedades de transporte de elétrons em misturas de gases. E ainda utiliza o Heed
para calcular em detalhe a perda de energia de partículas carregadas em gases.
O Garfield
• Podem ser feitas simulações de diferentes características do detector, utilizando as
mesmas características do sistema real (material e geometria dos fios e dos furos no
GEM, mistura de gases, etc.)
Exemplos : Propriedades do Gás
• Uma das questões importantes em detectores é a operação do gás. É importante
estudar suas características como a velocidade de arrasto das cargas num meio
gasoso, bem como as seções de choque de diferentes gases. Na figura
mostradas as seções de choque do argônio e do CO2.
são
Exemplos : Propriedades do Gás
• Na Figura, observa-se a comparação entre a velocidade de arrasto de elétrons na
mistura argônio e argônio e CO2 à pressão atmosférica .
Exemplos : Propriedades do Gás
• Na Figura, observa-se as propriedades do gás em uma mistura Ar/CO2/CF4
(60/20/20) em um detector triplo GEM. É mostrada a comparação entre a
velocidade de arrasto obtida experimentalmente e pela simulação com o Garfield.
Exemplos : Campo e potencial
• Em muitos casos a forma do campo não é conhecida analiticamente, o que torna a
simulação muito útil para a pesquisa. Exemplos de simulação das linhas de campo e
superfícies equipotenciais obtidas com o Garfield são mostrados a seguir.
Exemplos : Efeito Avalanche e ganho
• O efeito avalanche é o fenômeno de multiplicação de cargas criado por um campo
elétrico intenso, e é fundamental para a detecção, pois o número de cargas criado
pela radiação é baixo para se detectar na maioria das aplicações. Nos MWPC, o
efeito avalanche ocorre apenas na região próxima aos fios e o número de elétrons
cresce exponencialmente.
Exemplos : Efeito Avalanche e ganho
• Efeito avalanche de um detector tipo GEM visualizado através da simulação de
Monte Carlo realizada pelo Garfield.
Exemplos : Efeito Avalanche e ganho
Linhas de deriva de elétrons durante o processo de avalanche em um furo de
folha GEM, de acordo com resultados de simulação no Garfield.
Exemplos : Efeito Avalanche e ganho
• O ganho é dado pelo número de pares de elétrons-íons criados no gás pelo efeito
avalanche. Ele é função de parâmetros geométricos do detector, diferença de
potencial aplicada e pressão do gás. O ganho simulado para duas distâncias distintas
entre os fios de um detector MWPC é mostrado na figura.
Exemplos : Efeito Avalanche e ganho
• Intensidade do campo e geometria do detector com um dispositivo tipo GEM:
Campo elétrico calculado ao longo de uma linha através do centro
dos furos, para diferentes diâmetros de furos.
Exemplos : Pulsos Elétricos Induzidos
• É possível simular também os sinais induzidos pelas cargas nos eletrodos. Um
exemplo é mostrado abaixo. Na figura, é mostrado o pulso elétrico induzido pelo
movimento de um elétron no detector surgido da deposição de energia da radiação
no gás.
Exemplos : Absorção de raios X
• Nesse exemplo, é mostrada a simulação da absorção de um feixe de raios X
provenientes de uma fonte de Fe55 no gás. Esse resultado foi obtido usando uma
ferramenta do Garfield no qual é possível escolher o tipo de partícula incidente
(próton, gama/raio X, alfas, etc.), sua energia e trajetória.
O Garfield ++
• Garfield ++ é um conjunto de ferramentas para a simulação detalhada de
detectores que utilizam gases ou semi-condutores como meio sensível. A principal
área de aplicação está atualmente em detectores gasosos. As principais diferenças
entre o Garfield ++ e Garfield são o tratamento mais atualizado do transporte de
elétrons em gases e a interface do usuário, que é derivada do ROOT.
• Além disso, o pacote Garfield ++ permite a simulação detalhada de estruturas de
pequena escala.
• Pré –requisitos: ROOT (versão 5.26 ou maior) , cálculos MPGD (Micro-Pattern Gas
Detectors) geralmente usam mapas de campo ANSYS.
O Garfield ++: principais elementos
• Ionização - O programa Heed gera modelos de ionização de partículas aceleradas
carregadas. O princípio do Heed é baseado num modelo de foto-absorção e ionização.
• Campos elétricos - Interface com programas de elementos finitos: Ansys, Elmer e CST,
(que pode calcular campos aproximados em configurações tridimensionais com
dielétricos e condutores) ; e uma interface com o programa de simulação de dispositivos
Synopsys Sentaurus.
• Transporte de elétrons - O Magboltz é usado para computar o transporte de elétrons e
avalanches em misturas gasosas arbitrárias.
O Garfield ++: aplicações
• Simulação de um tubo de arrasto;
• Ionização primária (cálculo de ionização de partículas carregadas usando o Heed,
fótons);
• Sinais (Campos de ponderação e correntes induzidas);
• Detectores a gás de micropartículas: Avalanches em um single GEM; ganho de um
triplo GEM; carregamento no GEM; detecção de fóton com um Thick GEM; mapas de
campo de um GEM carregado.
O Garfield ++: aplicações
Simulação do desenvolvimento de avalanches e trajetória dos portadores
de carga num detector GEM usando o pacote de software GARFIELD ++.
Conclusão
• A simulação rápida e precisa da física de partículas torna-se cada vez mais
importante à medida que a complexidade da instrumentação e a exigência de
dispositivos mais precisos aumentam.
• Simulações, juntamente com o estudo dos dispositivos microfabricados como
detectores de partículas, conduzem à uma concepção detalhada do desenho das
estruturas geométricas, o que permite a definição do design do dispositivo. No caso
da presente pesquisa, as simulações são de suma importância para o avanço da
próxima etapa, isto é , a produção do primeiro protótipo brasileiro do GEM de
silício.
Referências
• BONIVENTO W., CARDINI A., BENCIVENNI G., MURTAS F. , PINCI D.; A Complete
Simulation of a Triple-GEM Detector. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 49, n.4,
2002.
• BOUIANOV O., BOUIANOV M., ORAVA R. , SEMENOV P. , TIKHONOV V.; Progress in
GEM simulation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, v. 450,
p.277-287, 2000.
• Garfield ++ - Disponível em : http://garfieldpp.web.cern.ch/garfieldpp/examples/
• SALES E., Desenvolvimento de Detectores a Gás Multifilares para Raios X.
Dissertação de mestrado, USP , 2015.
• CERN – Conseil Européen pour la Reaserche Nucléaire - Disponível em https://epnews.web.cern.ch/content/rd51-collaboration-development-micro-pattern-gasdetectors-technologies.
Referências
• WANG X. , ZHANG Y., ZHANG C., HU B.; Monte Carlo simulation of GEM-based for
14 MeV neutron detector. Science China - Physics, Mechanics & Astronomy, v. 56,
n.9, p. 1740-1744, 2013.
• BACHMANN S., BRESSAN A., ROPELEWSKI L., SAULI F., SHARMA A., MOKRMANN
D.; Charge amplification and transfer processes in the gas electron multiplier.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, v. 438 , p.376-408, 1999.
• Reseachgate – Disponível em:
https://www.researchgate.net/figure/222524823_fig4_Fig-14-Garfield-simulationof-drift-lines-in-a-GEM-hole-in-a-4-T-magnetic-field
Obrigada!