Entwicklung von (Cd,Zn)Te Coplanar Grid Detektorsystemen E. Hamann, A. Zwerger, A. Fauler, M....

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

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Entwicklung von Coplanar Grid Detektoren

E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009

3E.Hamann, Gruppenmeeting Abt. Jakobs, 22.06.2009


Strahlenbelastung in Deutschland, ODL-Netzwerk



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


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 (~1010-11 Ω*cm)• Kristallzüchtung, Charakterisierung und Prozessierung

am FMF

Vorteile CZT:

Limitierungen:

• Nur Kristalle in kleinen Volumen (~ 1-3 cm³) erhältlich• Geringes µt-Produkt der Löcher Einbußen in der

Performance




-+ HV

ggg

LöcheranteilElektronenanteilSignalverlust durch schlechten Ladungsträgertransport Problem

out

Detektor mit planaren Elektroden:

h+

e-

h+

e-

h+

e-


f0 = Wichtungspotential

Annahme für f0:

Die betrachtete Elektrode hat Potential 1, alle anderen haben Potential 0

Shockley Ramo:

Planare Elektroden:

Signal ortsabhängig, Ausweg über Software oder Hardware


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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“)




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


Bilder aus P.Luke:”Unipolar Charge Sensing with Coplanar Electrodes – Application to Semiconductor Detectors” , IEEE TNS,42, 1995

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CPG, 1 cm³ am FMF hergestellt

HV-Versorgung

Vorverstärker

Signalausgänge


CPG, 12 x 12 x 5 mm³Material: Redlen (Kanada)


Intergrid-Spannung



Materialcharakterisierung, µt-Produkt

• Messungen mit Am-241:α-Partikel mit 5.5 MeV

• WW an Oberfläche, nur eine Ladungsträgersorte

• Variation der HV

• Pulshöhe aus Gaussfit

• µt-Produkt aus Hecht-Relation

Hecht-Relation:

V = Pulshöhe in mV

V0 = Sättigungswert

U = angelegte HV

d = Driftlänge, hier Dicke des Detektors

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Messungen mit Cs137

Collecting electrode

Non-collecting electrode


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


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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

coun

ts

pulse height / mV

FWHM: 5.1 %

CPG Redlen 12 x 12 x 5 mm³Cs-137bias: -750 V, intergrid: -100V





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 Cs137



Mögliche Gründe für suboptimale Performance:

• falsche Parameter

• Kristallqualität µt-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 gridCdZnTe detectors”, NIM A 554, 2005


Wichtungsfeld CPG Redlen, schematisch


Wichtungsfeld ohne Randeffekte Randeffekte:

• nicht-homogenes E-Feld

• lokal verschiedene vDrift

schlechtere performance



Mögliche Gründe für suboptimale Performance:

• falsche Parameter

• Kristallqualität µt-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 gridCdZnTe detectors”, NIM A 554, 2005


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)



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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 (116Cd)

64000 Detektoren (~100 kg)





B.Sturm et al.,”Investigation of the Asymmetric Characteristics and Temperature Effects of CdZnTe Detectors” , IEEE TNS,52, 2005

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