Entwicklung von (Cd,Zn)Te Coplanar Grid Detektorsystemen E. Hamann, A. Zwerger, A. Fauler, M. Fiederle Bundesamt für Strahlenschutz (BfS): U. Stöhlker.

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1 Entwicklung von (Cd,Zn)Te Coplanar Grid Detektorsystemen E. Hamann, A. Zwerger, A. Fauler, M. Fiederle Bundesamt für Strahlenschutz (BfS): U. Stöhlker

2 ODL-Netzwerk des BfS (Cd,Zn)Te Detektoren Coplanar Grid Technik Messungen Ausblick Überblick 2 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009

3 3 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren Strahlenbelastung in Deutschland, ODL-Netzwerk

4 4 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

5 5 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren Erweiterung des ODL-Netzwerks GMC liefern keine Energieinformation ca. 10 % (~200 Stk.) spektroskopische Systeme: CZT-Halbleiterdetektoren + GMCA (Markus) Energieauflösung <3% FWHM @ 662 keV (besser <2%) Volumen: mind. 3 cm³ CZT (Effizienz) Langzeitstabilität Geringe Kosten

6 6 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von CZT-CPG Detektoren Hohe Absorption (Z=48/30/52) Bandlücke: 1.4 – 2.2 eV Einsatz bei Raumtemperatur (-30°C bis +50°C) Hoher spez. Widerstand (~10 10-11 Ω*cm) Kristallzüchtung, Charakterisierung und Prozessierung am FMF Vorteile CZT: Limitierungen: Nur Kristalle in kleinen Volumen (~ 1-3 cm³) erhältlich Geringes µ -Produkt der Löcher Einbußen in der Performance Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

7 7 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren -+ -+ HV Löcheranteil Elektronenanteil Signalverlust durch schlechten Ladungsträgertransport Problem out Detektor mit planaren Elektroden: h+e-h+e- h+e-h+e- h+e-h+e-

8 8 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 = Wichtungspotential Annahme für Die betrachtete Elektrode hat Potential 1, alle anderen haben Potential 0 Shockley Ramo: Planare Elektroden: Signal ortsabhängig, Ausweg über Software oder Hardware Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

9 9 Coplanar Grid: Kathode planar, 2 Anoden: · collecting · non-collecting, ΔV = 40-80 V Die Differenz der Signale wird gemessen Unabhängig vom Ort der Wechselwirkung, nur e - tragen zum Signal bei (vgl. Frisch-Grid) E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

10 10 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Realer Feldverlauf im Detektor Coplanar Grid in 3D-Sicht 0 V -1000 V Verlauf des Weighting-Potentials Kathode Anoden (grids) Kathode Anoden (grids) - 50 V Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren Bilder aus P.Luke:Unipolar Charge Sensing with Coplanar Electrodes – Application to Semiconductor Detectors, IEEE TNS,42, 1995

11 11 CPG, 1 cm³ am FMF hergestellt HV-Versorgung Vorverstärker Signalausgänge E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 CPG, 12 x 12 x 5 mm³ Material: Redlen (Kanada) Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren Intergrid-Spannung

12 12 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren Materialcharakterisierung, µ -Produkt Messungen mit Am-241: α-Partikel mit 5.5 MeV WW an Oberfläche, nur eine Ladungsträgersorte Variation der HV Pulshöhe aus Gaussfit µ -Produkt aus Hecht-Relation Hecht-Relation : V = Pulshöhe in mV V 0 = Sättigungswert U = angelegte HV d = Driftlänge, hier Dicke des Detektors

13 13 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

14 14 Messungen mit Cs 137 Collecting electrode Non-collecting electrode E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Collecting electrode Non-collecting electrode Digitale Messungen: Aufnahme + Digitalisierung der Pulse mit Oszi Auswertung mit MATLAB + : jeder Puls wird gespeichert Auswirkung DSP - : lange Messdauer + Auswertung Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

15 15 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

16 16 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren Analoge Messungen: Aufnahme von Spektren mit Standard-NIM-Modulen Subtraktion mit analoger OpAmp- Schaltung + : kürzere Messdauer, schnelle Änderung der Parameter - : kein Zugriff auf Pulse Messungen mit Cs 137

17 17 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

18 18 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren Mögliche Gründe für suboptimale Performance: falsche Parameter Kristallqualität µ -Produkt und Widerstand sehr gut Anodenstruktur mehr, schmälere Finger Feldverlauf Randeffekte Guardring trapping der e - Korrektur der Spektren depth-sensing, relative gain Z.He, B.Sturm: Characteristics of depth-sensing coplanar grid CdZnTe detectors, NIM A 554, 2005

19 19 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Wichtungsfeld CPG Redlen, schematisch Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren Wichtungsfeld ohne Randeffekte Randeffekte: nicht-homogenes E-Feld lokal verschiedene v Drift schlechtere performance

20 20 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren Mögliche Gründe für suboptimale Performance: falsche Parameter Kristallqualität µ -Produkt und Widerstand sehr gut Anodenstruktur mehr, schmälere Finger Feldverlauf Randeffekte Guardring trapping der e - Korrektur der Spektren depth-sensing, relative gain Z.He, B.Sturm: Characteristics of depth-sensing coplanar grid CdZnTe detectors, NIM A 554, 2005

21 21 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Stand der Dinge Entwicklung der Elektronik und preamps, Prozessierung Messung von Materialeigenschaften Umsetzung in Hardware (Subtraktion der Signale) Aufnahme von Spektren: digital (~5 % FWHM) analog ( 4% FWHM) Eigene Kristallzüchtung (A. Fauler) E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

22 22 Ausblick Optimierung der Parameter: Bias-Spannung, Intergrid- Spannung; Elektrodenlayout; Filterparameter Korrektur der Spektren Vergleich verschiedener Materialien (FMF, Redlen,…) COBRA-Experiment: Messung von (0νββ)-Zerfällen im LNGS (Gran Sasso) Isotope von Cd, Zn, Te ( 116 Cd) 64000 Detektoren (~100 kg) E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

23 23 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

24 24 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

25 25 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009 Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren B.Sturm et al.,Investigation of the Asymmetric Characteristics and Temperature Effects of CdZnTe Detectors, IEEE TNS,52, 2005