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

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 http://medipix.web.cern.ch/MEDIPIX/ 2

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

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, …

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

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.

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 

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

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

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

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

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

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)

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

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)

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)

Bildgebung

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

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

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

55µm on MXR – Image of TTL

55µm on MXR – Image of TTL

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

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

Charge sharing

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

55 µm on TPX – Charge sharing # Ticks

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

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.

Energiespektren

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

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

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

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit !