Detektor Entwicklung und Systemintegration
Position-, Time-, and Energy-sensitive planar Ge(i)- and Si(Li)-Detectors
During the last decade, the development of position and energy sensitive solid-state detectors has experienced a tremendous progress. This progression is mainly motivated by demands of nuclear physics and astronomy (satellite missions) experiments for highly efficient gamma-ray spectrometers and in particular by unique advantages of such detection devices which arises for applied research. One also may anticipate that position sensitive germanium detectors will play an important role for future X-ray spectroscopy in atomic physics dealing with highly charged heavy ions, such as H-like uranium.
The unique properties of such structured planar detectors are millimeter to sub-millimeter spatial resolution as well as a good time (e.g. typically 50 ns, down to 10ns depending on geometry) and excellent energy resolution for the hard X-ray energy regime (about 1%-2% below 100keV and about 0.2% at 1 MeV). This allows for designing sensors (photo lithographically defined Ge(i)- or Si(Li)-crystals) for various applications. Our main focus in applications is on precision experiments with highly charged and heavy ions at particle accelerators like GSI/FAIR or with intense x-ray sources like DESY/Petra3. For these types of experiments we develop in a long-lasting collaboration with the detector lab at IKP/FZ-Jülich dedicated detector systems with optimized geometries for the use as imaging sensors or as Compton-Polarimeter to analyze the linear polarization of x-rays as experiment observable in the energy regime from 50 keV to 1 MeV.
Position sensitive planar Ge(i)-Detectors as imaging sensor
In combination with a focusing crystal spectrometer, a position sensitive Ge(i)-detector permits the measurement of an energy spectrum wide enough to investigate the whole interesting energy regime simultaneously. Along with a a focusing crystal spectrometer (e.g. FOCAL project) this detector may play a key role for a precise test of quantum electrodynamics (QED) in the heaviest one-electron systems.
The pictures above show microstrip detector systems (left:1-dimensional; right:2-dimensional), developed at the Forschungszentrum Jülich, with a position resolution (defined by the contract size) of roughly 250 μm and timing resolution of 50 nsec. A position resolution of less than 50µm by applying interpolation techniques has been shown with these devices.
Compton Polarimeter
We have to stress the importance of germanium pixel and of two-dimensional strip detectors (DSSD) for the study of the dynamics of heavy ions colliding with electrons or low-density gaseous matter. Such collisions are strongly affected by electron–ion recombination processes, such as radiative electron capture (REC, the time-reversed photoionization process in ion–atom collisions), processes which are of plasma and astrophysical relevance. Because for high-Z ions and fast collisions, electron–ion recombination in general produces strongly polarized X-rays in the energy regime between 50 and 500 keV, the polarization sensitivity of thick two-dimensional germanium detectors via the Compton effect provides an important key to reveal the physics of these processes.
In the most recent polarimeter project we address the enhancement to 1 MeV by the combination of a thick planar Si(Li)-DSSD with a thick planar Ge(i)-DSSD in telescope configuration. This results in a significantly increased detection efficiency for high energetic photons scattered in the Si(Li) and detected by the Ge(i), while we maintain still a high efficiency for low energy photon detected in the Si(Li). For this system we achieved a two times better energy resolution (800eV for 60keV) by a redesign of the 128 preamplifiers to bring the most noise sensitive components closer to the detector crystal and by decreasing their operation temperature below -100°C.
Entwicklung von Mikrokalorimeter-Detektoren
Ein alternativer Weg ist der Einsatz von Mikrokalorimetern für die Röntgenspektroskopie. Hiermit kann ein großer Spektralbereich gleichzeitig abgedeckt werden. Mikrokalorimeter sind hervorragend geeignet für den Einsatz bei geringer Photonenrate. Möglicher störender Strahlungsuntergrund höherer Energie wird wegen der geringen Detektorgröße nicht absorbiert. Aufgrund des kalorimetrischen Messprinzips kann die Quanteneffizienz von Mikrokalorimetern durch die Wahl des Absorber-Materials und der Absorber-Geometrie perfekt auf den zu messenden Energiebereich abgestimmt werden. Allgemein gilt hier, dass die Linienbreite des Mikrokalorimeters proportional zur Wurzel aus der Wärmekapazität bzw. dem Absorbervolumen zunimmt. Einkanalige Mikrokalorimeter, optimiert für weiche (harte) Röntgenstrahlung 0-10keV (0-100keV) erreichen heute eine Linienbreite von unter 3 eV (50 eV) FWHM. Der Nachteil der geringen Detektorfläche kann durch das Bündeln vieler einzelner Detektoren zu einem Array kompensiert werden. Der Entwicklungsschritt von Einzeldetektoren bzw. linearen Arrays aus wenigen Detektoren hin zu größeren zweidimensionalen Arrays ist einer der zentralen Bestandteile der geplanten Forschungsprojekte. Für die im Rahmen von SPARC am ESR sowie an HITRAP und dem HESR geplanten Präzisionsspektroskopie-Experimente ist die Weiterentwicklung von zwei sehr unterschiedlichen Mikrokalorimeter-Arrays vorgesehen.
Die Gruppe an der Uni Gießen hat bereits sehr erfolgreich Mikrokalorimeter für harte Röntgenstrahlung (Energie 100 keV), die aus kompensiert dotierten Halbleiter-Thermometern und Zinn-Absorbern bestehen [St96], am ESR eingesetzt. Im Jahr 2006 wurde mit einem Testarray aus drei Mikrokalorimetern zum ersten Mal ein Experiment zur präzisen Bestimmung der 1s-Lambshift in wasserstoff-ähnlichem Uran und Blei durchgeführt [An09], in dem die prinzipielle Eignung des Detektorkonzepts für solche Messungen demonstriert wurde. Jetzt soll ein großes Array mit 32 Pixeln in einem neuen Kryostaten aufgebaut und getestet werden, das die Durchführung von atomphysikalischen Experimenten mit belastbarer Statistik erlaubt. Dazu ist es notwendig, im Rahmen des Antrags Optimierung von Mikrokalorimetern für die Anwendung an ESR, HESR und HITRAP die Energieauflösung weiter zu verbessern, ein neues Datenaufnahmesystem zu entwickeln und die Signalauslese zu optimieren.
Für die hochaufgelöste Spektroskopie von Helium- und Lithium-artigen Schwerionen bei Röntgenenergien bis etwa 20 keV wird an der Universität Heidelberg (C. Enss) das Detektor-Array maXs entwickelt, das auf metallischen magnetischen Mikrokalorimetern basiert. Dieses maßgeblich in Heidelberg entwickelte Detektionsprinzip zeichnet sich durch eine exzellente Energieauflösung und Linearität aus und erlaubt Signalanstiegszeiten von unter 100ns, die zwei bis drei Größenordnungen kürzer sind als die aller anderen Mikrokalorimeter-Konzepte und insbesondere für Koinzidenzmessungen sehr attraktiv sind [Fl09]. Eine Röntgentransportoptik von der Universität Jena (s.u.) ist vorgesehen um weiche Röntgenstrahlung ins Zentrum des 2d-Detektorarrays maXs zu fokussieren, wo sie von einem quadratischen Array aus 8 kleinen Pixeln mit einer Energieauflösung unter 2.5 eV (FWHM) nachgewiesen werden. Dieses quadratische Array wird eine Weiterentwicklung der Detektorzeile maXs-20 sein, die in Abb. 7 dargestellt ist. Da Röntgenstrahlung jenseits von 20 keV breitbandig nur schwer fokussierbar ist, wird maXs-20 von 24 großflächigen Röntgenabsorbern, die auf die Absorption von Photonen bis 200 keV optimiert sind, umgeben. In Experimenten am Gas-Jet-Target hinter HITRAP wird maXs in beiden Energiebereichen einen Raumwinkel von etwa 10-3 abdecken, was überaus interessant für die hochaufgelöste Spektroskopie bei kleinen Photonenflüssen ist. Im Projekt maXs – micro-calorimeter arrays for high resolution x-rays spectroscopy werden die aktuellen Prototypen maXs-20 und maXs-200 in-puncto Energieauflösung weiter optimiert, und zu einem 2-dimensionalen Array zusammengeführt. Weitere wichtige Entwicklungsschritte werden die Integration von Detektor, Verdünnungskrystat und Vielkanal-Ausleseelektronik, sowie die Programmierung einer weitest gehend automatisierten Detektorinitialisierung sein.
Beide Detektorsysteme werden von „trockenen“, pulsrohr-gekühlten Verdünnungskryostaten gekühlt und kommen somit erstmals ohne kryogene Flüssigkeiten aus, was den Betrieb an den verschiedenen FAIR-Facilities deutlich vereinfachen wird.
Röntgentransportoptiken
Wegen der räumlichen Gegebenheiten am Speicherring kann ein Tieftemperatur-Kalorimeter mit den notwendigen Kühleinrichtungen nicht beliebig nahe an die Röntgenquelle gebracht werden. Hier sollen spezielle Röntgentransportoptiken, die zwischen Quelle und Detektor geschaltet werden, helfen, die Gesamteffizienz wesentlich zu steigern. Einem System mit einer ringförmigen Röntgenoptik mit einem Mosaik-Kristall werden hohe Erfolgsaussichten zugebilligt. Hier liegen schon detaillierte Erfahrungen an der Universität Jena vor. Mit Hilfe eines ellipsoidförmigen gebogenen Graphitkristalls konnte bei einer Photonenenergie für 4.5 keV gezeigt werden, dass man die Röntgenphotonendichte auf einem Detektor um einen Faktor von ca. 2000 erhöhen kann [Us05]. Hierbei konnten Photonen einer 150µm große Röntgenquelle auf einen Fokus von ca. 490 µm fokussiert werden. Die spektrale Breite war für diese Optik auf die Kα Spektrallinie von Titan optimiert. Eine ähnliche Optik kann die Messzeit von Röntgenlinien an den Speicherringen FAIR und ESR der GSI mit Hilfe von Röntgenkalorimetern deutlich verringern. Um die Optik zu optimieren sind viele Parameter zu beachten, wie Kristallauswahl, Mosaizität des Kristalls, Kristalldicke, Biegeradius und Aperturwinkel. Als Kristalle werden solche zum Einsatz kommen, die aus Elementen niedriger Ordnungszahlen bestehen, wie Graphit, Lithiumfluorid oder Glimmer. Durch geringe Absorption kann ein großes Kristallvolumen zu einer hohen Beugungseffizienz beitragen. Durch deren geeignete Wahl kann das Reflexionsvermögen von Mosaikkristallen beispielweise um mehr als eine Größenordnung gesteigert werden. Um einen breiteren Spektralbereich als nur von einer Linie zu nutzen, sind mehrere ineinander geschachtelte Kristallringe denkbar, bei denen der Braggwinkel über größere Bereiche variiert.
Die Arbeitsgruppe Röntgenoptik besitzt alle experimentellen und theoretischen Voraussetzungen, solche Optiken zu berechnen, die Realstruktur der Mosaikkristalle festzustellen und gegebenenfalls zu verändern. Es bestehen jahrzehntelange Erfahrungen im Kristallbiegen sowie in der Kontrolle der Kristallkrümmungen und der Fokussierungseigenschaften für Röntgenstrahlung. Weiterhin können wichtige Eigenschaften, wie spektrale Response der Optik, Effizienz und integrales Reflexionsvermögen solcher Kristalle bei den entsprechenden Wellenlängen vermessen und mit den Simulationen verglichen werden.
Die Kollaborationspartner stimmen darin überein, daß die hier zur Förderung vorgeschlagenen technischen Entwicklungen optimal zur erfolgreichen Verwirklichung der geplanten Experimente bei FAIR beitragen werden. Ein Teil der Experimente, die schon am bestehenden Speicherring ESR durchgeführt werden können, dienen der Inbetriebnahme von Komponenten, besitzen zum Teil Pilotcharakter und sind wesentlich für den notwendigen Optimierungsprozeß. Dabei kommt der Ausbildung junger Wissenschaftler und der Erweiterung der wissenschaftlichen Expertise während der Planungs- und Ausbauphase von FAIR eine große Bedeutung zu.
Institut | Antragsteller / Beteiligte | Schwerpunkt |
|---|---|---|
Uni Heidelberg | Prof.Ch.Enss, Dr.A.Fleischmann | maXs – micro-calorimeter arrays for high resolution x-rays spectroscopy |
Uni Jena | Prof.G.Paulus, Dr.R.Lötzsch | Röntgenkristalloptik für die hochauflösende Spektroskopie an hochgeladenen Ionen des NESR |
