自适应网格方法在耗尽型硅探测器中重离子等离子体效应模拟中的系统性评估

《Scientific Reports》：Evaluation of the adaptive nested mesh approach for simulating charge pulse shapes in planar silicon detectors irradiated by heavy ions

　　**摘要**在硅探测器中，高能重离子轨迹上生成的稠密电子-空穴等离子体的自屏蔽行为在控制信号形成动力学过程中起着关键作用。虽然通用TCAD工具在理论上能够对这一现象进行建模，但对极细网格的需求可能导致在模拟全尺寸探测器时产生难以承受的计算资源开销。相反，探测器模拟方法（如Garfield++中的AvalancheMC实现）未考虑这种等离子体效应，可能导致波形不准确。此前，我们提出了一种自适应网格框架，能够以远低于等效TCAD模拟的计算资源开销，准确建模5.5 MeV α粒子的等离子体效应。在本工作中，我们在广泛的离子类型（从α粒子到钛）、能量范围（5.5–910 MeV）和探测器条件（五种不同的平面硅探测器，正面和背面辐照）下系统性地评估了该框架。该代码与GEANT4集成用于能量沉积计算，并采用嵌套网格，在离子轨迹周围进行动态细化。针对16个测试用例，将预测的电荷信号上升时间与独立研究中发表的实验数据进行对比。16个案例中有13个案例的模拟与实验之间的绝对相对差异≤11%，所有案例的绝对相对差异≤17%。这些结果表明，自适应网格方法能够无需针对特定案例调参即可稳健地从轻离子推广至重离子，为耗尽型硅探测器中的等离子体效应模拟提供了一种计算高效的TCAD替代方案。