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

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,

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

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

5 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 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% 662 keV (besser <2%) Volumen: mind. 3 cm³ CZT (Effizienz) Langzeitstabilität Geringe Kosten

6 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 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 (~ 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 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 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 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, = 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 Coplanar Grid: Kathode planar, 2 Anoden: · collecting · non-collecting, ΔV = 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, Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

10 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, Realer Feldverlauf im Detektor Coplanar Grid in 3D-Sicht 0 V 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 CPG, 1 cm³ am FMF hergestellt HV-Versorgung Vorverstärker Signalausgänge E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, CPG, 12 x 12 x 5 mm³ Material: Redlen (Kanada) Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren Intergrid-Spannung

12 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 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

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14 Messungen mit Cs 137 Collecting electrode Non-collecting electrode E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 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

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16 E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 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

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

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

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) Detektoren (~100 kg) E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

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