Generische Detektorentwicklung
Die Anforderungen an die Detektoren werden in künftigen Experimenten weiter steigen. Deshalb ist eine stetige Weiterentwicklung der Detektoren notwendig, um die künftigen Herausforderungen auch bewältigen zu können. Beispielsweise werden die Anforderungen an die Ratenverträglichkeit und eine verbesserte Zeitauflösung bei zukünftigen Experimenten eine wichtige Rolle spielen. Wir versuchen deshalb limitierenden Eigenschaften unserer momentanen Detektoren zu verstehen und verbesserte Detektoren zu entwickeln. Unser Hauptaugenmerk richtet sich dabei auf die GridPix-Detektoren, die wir mit Hilfe von photolithographischen Prozessen in den Reinräumen des Forschungsbaus Technologiezentrum Detektorbau (FTD) herstellen werden. Zusätzlich experimentieren wir aber auch mit völlig neuen Detektorkonzepten, neuen Materialien oder Auslesen.
Die ersten Gasdetektoren wurden vor mehr als hundert Jahren von H. Geiger und E. Rutherford entwickelt. Seither haben sie eine Vielzahl von Entdeckungen in der Teilchenphysik ermöglicht und sind immer noch wichtige Bestandteile moderner Experimente. Vor allem die Entwicklung der Vieldraht-Proportionalkammern ist hier zu nennen, für die G. Charpak sogar 1992 den Physiknobelpreis erhielt. Im Jahre 1988 führte A. Oed die ersten mikrostrukturierten Gasdetektoren ein, die in den darauf folgenden Jahren in zahlreichen Variationen weiterentwickelten. So bestehen zum Beispiel die Micromegas Detektoren aus einem feinen Gitter, das in einem Abstand von 50 -100 µm über die Ausleseebene gespannt wird. In diesem schmalen Bereich lösen die ein fallenden primären Elektronen einen Gasverstärkungsprozess aus, der in einer Elektronenlawine mit mehreren tausend Elektronen endet.
GridPix Detektoren
Um die best mögliche Ortsauflösung zu erreichen, muss man die einzelnen primären Elektronen aus dem Driftbereich auflösen. Hierfür ist eine sehr feine Auslesestruktur mit einem Pixelgröße von mehreren 10 µm notwendig. Aufgrund der hohen Dichte von elektronischen Auslesekanälen, ist dies nur mit einem Auslese-Chip für Siliziumpixel-Sensoren möglich. Die von uns verwendeten ASICs sind der Timepix und Timepix3 ASIC, die beide von der Medipix-Kollaboration am CERN entwickelt wurden. Diese ASICs werden zunächst mit einer 4 µm dicken Schutzschicht überzogen, die sie im Falle von ungewollten elektrischen Überschlägen schützt. Auf diese Schutzschicht werden mit Hilfe von photolithographischer Nachbearbeitung 50 µm hohe Säulen und ein dünnes Gitter hergestellt. Hierbei wird das Gitter so ausgerichtet, dass sich über jedem Auslesepixel ein Gitterloch befindet. Deshalb wird die gesamte Elektronenlawine, die durch ein primäres Elektron ausgelöst wird, auf einem Pixel gesammelt und überschreitet so die eingestellt Schwelle mit hoher Wahrscheinlichkeit.
Produktion und Weiterentwicklung
Auf diese Weise können einzelne primäre Elektronen nachgewiesen und gezählt werden. Dieses Verfahren bietet mehrere Vorteile, so können deutlich bessere Energieauflösungen erreicht werden, indem man die einzelnen Elektronen zählt als wenn man die Gesamtenergie aufaddiert, da hierbei die statistischen Schwankungen der Gasverstärkung nicht in die Messung mit eingehen. Außerdem können die Ereignisse mit hoher Ortsauflösung aufgezeichnet und später rekonstruiert werden. Dadurch ist es besser möglich verschiedene Teilchen wie z.B. Röntgenphotonen von Spuren zu unterscheiden oder die Spuren der Teilchen zu rekonstruieren.
Die GridPixe soll in Zukunft in den Reinräumen des Bonner Forschungsbaus FTD hergestellt und dann in unseren Laboren charakterisiert werden. Wegen der speziellen Maschinenauswahl im Reinraum und der schnellen Charakterisierung, sind deutlich bessere Voraussetzungen gegeben, um die Detektoren zu verbessern und weiter zu entwickeln. So sollen vor allem die Schutzschicht für höhere Ereignisraten optimiert und Doppelgitterstrukturen für einen reduzierten Ionenrückdrift entwickelt werden.
Beispiele für Bachelor- und Masterarbeiten
Hier sind zwei Beispiele für Arbeiten, die sich für Bachelor- oder Masterarbeiten eignen.
Bestimmung der Widerstandschicht
Der ASIC wird durch eine Widerstandschicht vor Überschlägen geschützt. Allerdings führt dies zu einem Aufladungseffekt der Schutzschicht, wenn der Detektor hohen Teilchenraten ausgesetzt wird. Deshalb muss der Widerstandswert auf einen möglichst niedrigen Wert eingestellt werden, bei der Chip noch ausreichend geschützt, aber die Aufladungen möglichst gering sind. In dieser Arbeit sollen mehrere verschiedene Messungen des Widerstandswertes verglichen und eine möglichst einfache Messung entwickelt werden, mit der die weitere Optimierung der Schutzschicht gemacht werden kann.
Entwicklung unterschiedlicher GridPix Strukturen
Mit Hilfe der Instrastruktur am FTD können bald GridPixe in Bonn hergestellt werden. Sobald dies möglich ist, sollen verschiedene geometrische Anordnungen untersucht und die damit verbundnenen Eigenschaften charakterisiert werden.