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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-78542
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7854/


Greiffenberg, Dominic

Charakterisierung von CdTe-Medipix2-Pixeldetektoren

Characterization of CdTe-Medipix2 pixel detectors

Dokument1.pdf (8.606 KB) (md5sum: e74b7e4ce029c593b4f6ace954789b34)

Kurzfassung in Deutsch

In der vorliegenden Arbeit wurden Halbleiterpixeldetektoren mit Cadmiumtellurid (CdTe) als Sensormaterial auf Medipix2- Ausleseelektroniken für eine potentielle Anwendung am Synchrotron untersucht. Zum Vergleich wurden Detektorsysteme mit Silizium als Sensormaterial herangezogen. Dabei bietet die gute Absorptionseffizienz von CdTe für höherenergetische Photonen den unmittelbaren Vorteil einer besseren Zählstatistik und durch die Vermeidung einer direkten Bestrahlung der Ausleseelektronik auch eine Verminderung von Strahlenschäden.
Zunächst wurden die detektorkritischen Eigenschaften wie der spezifische Widerstand und die Endungsträgertransporteigenschaften bestimmt und es konnte die hervorragende Qualität des verwendeten CdTe-Materials demonstriert werden. Beispielsweise konnte mit einem Detektorsystemen mit CdTe mit einer Pixelgröße von 110 x 110 µm² eine Energieauflösung von 5,6 % FWHM der 59,5 keV Linie einer 241Am-Quelle erreicht werden.
Allerdings existieren Unterschiede zwischen den beiden Sensormaterialien, die dazu führen, dass CdTe schlechtere Werte aufweist, die jedoch zumeist geringfügig sind. Ein entscheidender Faktor liegt im Falle von 1 mm dicken CdTe-Sensoren in der Ladungsteilung zwischen verschiedenen Pixeln, was an mehreren Beispielen wie der Energieauflösung oder der Ortsauflösung gezeigt werden konnte. Dabei gibt es verschiedene Ansätze zur Reduktion dieses Effektes. Dazu gehören vergrößerte Pixel, eine Reduzierung der Sensordicke oder das Anlegen einer höheren Sensorspannung. So konnte beispielsweise der Dunkelstrom durch den CdTe-Sensor, der die maximale Sensorspannung begrenzt, durch Abkühlen deutlich reduziert werden. Den meisten dieser Unterschiede zwischen CdTe und Silizium lässt sich ursächlich auf dem Gebiet der Kristallzüchtung und der Technologie oder der Weiterentwicklung der Ausleseelektronik begegnen. Weiterhin bietet sich beispielsweise im Bereich der Bildgebung die Verwendung von Korrekturalgorithmen an, da es sich bei den beobachteten Effekten im Cadmiumtellurid zumeist um zeitlich stabile Phänomene handelt.
In Bezug auf das Zählratenverhalten insbesondere für den Bereich von hohen Photonenflüssen konnte kein gravierender Unterschied zwischen Pixeldetektoren mit Siliziumsensor oder CdTe-Sensor festgestellt werden. Allerdings konnte für Photonenflüsse größer als 1E9 1/(mm²s) ein Degradationseffekt des Pixeldetektors mit CdTe-Sensor beobachtet werden. Jedoch tritt dieser Effekt im Bereich von Photonenflüssen auf, bei denen die Ausleseelektronik vermutlich aufgrund von „Pile-Up“ Effekten bereits an ihren Grenzen arbeitet.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass CdTe als Sensormaterial in Verbindung mit einer Ausleseelektronik der Medipix2-Familie eine Alternative zum Sensormaterial Silizium für Photonenenergien größer als 20 keV aufgrund der höheren Absorptionswahrscheinlichkeit insbesondere für die Anwendung an einem Synchrotron darstellt. Dabei sollte die Pixelgröße für optimale Ergebnisse mit Hinblick auf die experimentelle Anwendung gewählt werden, um den ungewollten Einfluss der Ladungsteilung zu minimieren.


Kurzfassung in Englisch

The potential application of semiconductor pixel detectors with cadmium telluride (CdTe) as sensor material on Medipix2 readout electronics at a synchrotron was investigated. For comparison purposes, detector systems with silicon as sensor material were used . However, the high absorption efficiency of CdTe for higher energetic photons offers the advantage of better counting statistics and moreover, radiation damage can be reduced due to the avoidance of a direct illumination of the readout electronics.
The sensor properties, which are relevant for the application as radiation detector, like the resistivity and the charge carrier transport properties were investigated and the good quality of the CdTe used for the production of the sensors was shown.
For instance, an energy resolution of 5,6 % FWHM of the 59.5 keV line of a 241Am source could be demostrated using a detector system with CdTe as sensor matieral and a pixel pitch of 110 x 110 µm².
However, there are differences between the two sensor materials, which are leading to slightly worse values for CdTe. When using 1 mm thick CdTe sensors, a decisive reason is charge sharing between different pixels, . This effect could be demostrated for several applications like energy resolution and spatial resolution.There are multiple approaches to reduce the effect of charge sharing like increasing the pixel size, reducing the sensor thickness or the application of a higher bias voltage.
It could be shown, that the dark current, which is limiting the applicable bias voltage, can be dramatically reduced by cooling of the sensor. Most of the differences between silicon and CdTe have to be faced on the level of crystal growth and technology or with a further development of the readout electronics. Moreover, as most of the observed effects are temporal stable, the application of correction alghorithms could be employed, for example for imaging purposes.
It was not possible to discover serious differences between detector systems with silicon sensor and CdTe sensor in the counting behavior in case of illumination with high photon fluxes as they can occur at a synchrotron. Yet, for photon fluxes higher than 1E9 1/(mm²s) a degradation effect of the pixel detector with CdTe sensor was observed. However, this effect occurs at photon fluxes, in which the readout electronics, most probably due to pile-up effects, is already working at its limit.
In order to draw a final conclusion, CdTe in connection with a Medipix2 readout electronics is an alternative to silicon as sensor material, especially when used at a synchrotorn and for photon energies higher than 20 keV due to its higher absorption efficiency. However, in order to ensure optimal results, the pixel size should be chosen according to the potential experimental application in order to minimize the effect of charge sharing.


SWD-Schlagwörter: CdTe, Medipix2 , Charakterisierung , Pixeldetektor
Freie Schlagwörter (englisch): CdTe, Medipix2 , characterization , pixel detector
Institut: Kristallographisches Institut
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Fiederle, Michael (PD Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.10.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 03.01.2011
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