Medipix - Pixeldetektoren

Präsentation zum Thema: "Medipix - Pixeldetektoren"—  Präsentation transkript:

1 Medipix - Pixeldetektoren
Dominic Greiffenberg, Alex Fauler, Andreas Zwerger, Michael Fiederle SG Materialcharakterisierung & Detektortechnologie Freiburger Materialforschungszentrum Universität Freiburg

2 Medipix-Kollaboration
U INFN Cagliari CEA-LIST Saclay - CERN Genève U d'Auvergne Clermont - U Erlangen - ESRF Grenoble - U Freiburg - U Glasgow - IFAE Barcelona - Mitthoegskolan - MRC-LMB Cambridge - U INFN Napoli - NIKHEF Amsterdam - U INFN Pisa - FZU CAS Prague IEAP CTU in Prague SSL Berkeley 2

3 Hybrid-Pixeldetektor
Ein Hybrid-Pixeldetektor: 1:1 Flip Chip Sensormaterial (Si, GaAs, CdTe) Bump Bonding Pixellierte Auslese- elektronik (ASIC)

4 Die Ausleseelektronik – Medipix2
Photon counting  geringes Rauschen 256 x 256 Pixel 55 x 55 µm² Pixelgröße Aktive Fläche 14x 14 mm² Chips an 3 Seiten ansteckbar  Produktion von Quads mit aktiver Fläche von 28 x 28 mm² Jedes Pixel enthält eigene Ausleseelektronik: 13-bit Zähler Zwei einstellbar Energieschwellen Positive oder negative Polarität  Si, GaAs, CdTe, …

5 Funktionsweise des Medipix2-Chips (MXR-Modus)
Bilder von UTEF, CVUT Prague

6 Weiterentwicklung  Timepix
gleiche Abmessungen Drei verschiedene Messmodi: Medipix Modus: Signal über Schwelle erhöht Zähler um 1 - Timepix Modus: Auch Time-of-arrival Modus genannt. Zähler registriert die Ankunftszeit des Photons - Time-over-threshold (TOT) Modus: Timepix zählt die Anzahl der Ticks, an der das Signal über der Schwelle ist.

7 Time-over-Threshold (ToT) - Modus
Timepix zählt die Anzahl von Ticks, während der das Signal über der Schwelle ist  Anzahl der Ticks ist proportional zur detektierten Energie Counts in Pixel: 7 Counts in Pixel: 4 Counts in Pixel: 2 Schwelle 

8 Ausleseoptionen USB 1.1 Anschluss über Standard-USB Kabel an PC / Notebook Langsamere Auslesegeschwindigkeit als Muros, aber USB 2.0 auf dem Weg! MUROS Anschluss über spezielle Auslesekarte an PC, kein Einbau in Notebook möglich höhere Frequenzen möglich, daher schnellere Auslesegeschwindigkeit

9 Sensormaterialien Ziel: effiziente Detektion von Strahlung  hohes Absorptionsvermögen   großes Z: CdTe (48/52) gute Transporteigenschaften  gute Kristallqualität  Eigenes Wachstum von CdTe Kristallen bzw. Einkauf bei kommerziellen Anbietern geringer Dunkelstrom  hoher spezifischer Widerstand  Kompensation großflächige Sensoren  homogene Kristalle  3-Zoll Bridgman-Ofen im FMF

10 Medipix Entwicklung - Freiburger Aktivitäten
Entwicklung der Sensormaterialien: CdTe, CdZnTe Technologie für den Flip-Chip Prozeß: Passivierung Deposition der Lötkugeln Flip-Chip Bonding: CdZnTe, CdTe, GaAs, Si Charakterisierung

11 Vom Kristall zum Detektor
Kristallwachstum CdTe / (Cn,Zn)Te CdTe-wafers 3“, 1 mm dick von Acrorad GaAs-wafers von FCM 300µm (LEC), von AXT 350µm (VGF) Wachstum (1“, 3“) Im FMF

12 Sensormaterial - CdTe CdTe von ACRORAD: gewachsen mittels THM (3 Zoll Wafer) Dicke: 1mm Spezifischer Widerstand & Verteilung: CoReMa mappings Spezifischer Widerstand ~4.109 Ωcm Homogene Verteilung

13 Sensormaterial - CdTe IR Mikroskopie: Verteilung von Te-Einschlüssen
Te-Einschlüsse absorbieren Teile der Ladungswolke („werfen Schatten“) (G.S. Camarda, R.B. James) Homogene Verteilung Größe der Te-Einschlüsse ist akzeptabel (~ 2-5 µm)

14 Vom Kristall zum Detektor
Flip-chip Prozess inkl. Vorbereitung Auf dem Wafer: Kontaktmetallisierung (Ohmsch / Schottky) Underbumping Tieftemperatur Lotdeposition auf Detektorwafer (immer unter 150 °C) Sägen Solder reflow Schematics on bump deposition

15 Special processing feature
Pixel enlargement feature: (110x110µm², 165x165µm², 220x220 µm², ...) jeder Pixel verbunden 55x55µm² jeder 4te Pixel verbunden 110x110µm² Abhängig von der Anwendung kann die Pixelgröße angepasst werden. (z.B. an die Detektordicke)

16 Gemeinsames BMBF-Projekt von FMF, Freiburg und KIT, Karlsruhe
Project EDAS: Effiziente Pixelarraydetektoren für die Anwendung im Synchrotron Synchrotronquelle ANKA des FZK (Inbetriebnahme 2005) 2.5 GeV Speicherring 13 Beamlines: 2 x IR 1 x Soft X-Ray 10x Hard X-Ray Beamline FLUO: Spotgrößen bis zu 1 x 2 µm² Energie (1.5 – 33) keV ± 2 % Fluss: <1011 ph/s 17 keV)

17 Bildgebung

18 55µm on MXR – Flooding images
single X-ray exposure 90kV 30µA, bias at –400V

19 55µm on MXR – Flooding images
permanent X-ray exposure –400V, 90kV 30µA

20 220 µm on MPX2.1 – Flooding images
corrected with 1 image from 10 min before Number of counts in pixel Number of counts in pixel

21 55µm on MXR – Image of TTL

22 55µm on MXR – Image of TTL

23 3-Kanal-Bilder @ Synchrotron ANKA
CdTe, Dicke: 1mm, Pixelgröße: 55 x 55 µm² 12 keV 24 keV 35 keV Die Ergebnisse wurden im Rahmen einer Kollaboration mit dem KIT, Karlsruhe erarbeitet

24 3-Kanal-Bilder @ Synchrotron ANKA
Vergleich 1mm CdTe  300 µm Si CdTe Si Besserer Kontrast aufgrund guter Absorption bis 100 keV Bessere Homogenität

25 Charge sharing

26 55 µm on TPX – Charge sharing
Timepix Messungen mit einer 241Am Quelle Ziel: Bestimmung des Charge sharings in 1mm CdTe Kurze Aquisitionszeit, um einzelne Events zu sehen Time of arrival (TPX)-Modus: Sobald das Signal im Pixel den Schwellenwert erreicht, wird die Ankunftszeit für jedes Pixel gespeichert  Count eines Pixeles = Anzahl von Ticks nachdem der Shutter geöffnet wurde  Wenn Ladung über mehrere Pixel verteilt wurde, zeigen sie die gleiche Zeitinformation Pixel mit gleichem Zähler ( = time of arrival) ±1 ( = 100 ns) werden zur einem Photon zugeordnet

27 55 µm on TPX – Charge sharing
# Ticks

28 55 µm on TPX – Charge sharing
241Am source on CdTe in Timepix mode

29 55 µm on MXR – Charge sharing
geringeres Charge sharing mit steigenden Beschleunigungs-spannungen am Sensor aufgrund kürzerer Driftzeiten Ab 25 keV wird die Ladung im Mittel zwischen >1.8 Pixeln verteilt.

30 Energiespektren

31 Grundlagen - Energiespektrum
300 µm Si: sog. THL-Scan, d.h.  Abscannen von Schwellenwert  Registrierung der Counts  Differentition des Scans Voraussetzung: Gesamte Ladung wird in einem Pixel deponiert! 1mm CdTe: Charge sharing verteilt Ladung dominiert auf 2 Pixel  THL-Scans nicht sinnvoll! Lösungsansätze: 1) Vergrößerung der Pixelfläche (110 x 110 µm²,…) 2) TPX in ToT-Modus: Addition der Counts von benachbarten Pixeln  Gesamtenergie deponierter Energie

32 TPX ToT-Modus - Energiespektrum
59.5 keV Escape peaks 26 keV Die Ergebnisse wurden im Rahmen einer Kollaboration mit der UTEF, CVUT Prag erarbeitet

33 TPX ToT-Modus - Energiespektrum
59.5 keV Escape peaks 26 keV

34 Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit !