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

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