Medipix - Pixeldetektoren Dominic Greiffenberg, Alex Fauler, Andreas Zwerger, Michael Fiederle SG...
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Medipix - Pixeldetektoren
Dominic Greiffenberg, Alex Fauler, Andreas Zwerger, Michael Fiederle
SG Materialcharakterisierung & DetektortechnologieFreiburger 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/
Hybrid-Pixeldetektor
• Ein Hybrid-Pixeldetektor:
1:1
Flip ChipSensormaterial(Si, GaAs, CdTe)
Pixellierte Auslese-elektronik (ASIC)
BumpBonding
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: 2
Schwelle
Counts in Pixel: 4Counts in Pixel: 7
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
• Entwicklung der Sensormaterialien:– CdTe, CdZnTe
• Technologie für den Flip-Chip Prozeß:– Passivierung– Deposition der Lötkugeln
• Flip-Chip Bonding:– CdZnTe, CdTe, GaAs, Si
• Charakterisierung
Medipix Entwicklung - Freiburger Aktivitäten
Vom Kristall zum Detektor
CdTe / (Cn,Zn)Te
Wachstum (1“, 3“) Im FMF
GaAs-wafers
von FCM 300µm (LEC),
von AXT 350µm (VGF)
CdTe-wafers
3“, 1 mm dickvon Acrorad
Kristallwachstum
• 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)
Sensormaterial - CdTe
Vom Kristall zum Detektor
Auf dem Wafer:
• Kontaktmetallisierung (Ohmsch / Schottky)
• Underbumping
• Tieftemperatur Lotdeposition auf Detektorwafer (immer unter 150 °C)
• Sägen
• Solder reflow
Flip-chip Prozess inkl. Vorbereitung
Schematics on bump deposition
Special processing feature
Abhängig von der Anwendung kann die Pixelgröße angepasst werden. (z.B. an die Detektordicke)
jeder 4te Pixel verbunden
jeder Pixel verbunden
Pixel enlargement feature:(110x110µm², 165x165µm², 220x220 µm², ...)
55x55µm² 110x110µm²
• 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
single X-ray exposure 90kV 30µA, bias at –400V
55µm on MXR – Flooding images
permanent X-ray exposure –400V, 90kV 30µA
55µm on MXR – Flooding images
corrected with 1 image from 10 min before
Number of counts in pixel Number of counts in pixel
220 µm on MPX2.1 – Flooding images
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
Die Ergebnisse wurden im Rahmen einer Kollaboration mit dem KIT, Karlsruhe erarbeitet
12 keV 24 keV 35 keV
Vergleich 1mm CdTe 300 µm Si
CdTe Si• Besserer Kontrast aufgrund guter Absorption bis 100 keV
• Bessere Homogenität
3-Kanal-Bilder @ Synchrotron ANKA
Charge sharing
Timepix Messungen mit einer 241Am Quelle• Ziel: Bestimmung des Charge sharings in 1mm CdTe
• Kurze Aquisitionszeit, um einzelne Events zu sehen
55 µm on TPX – Charge sharing
•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 sharing241Am 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 peaks26 keV
Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit !