Entwicklung zweidimensionaler Röntgendetektoren

Für beide Spektralbereiche sind die in den Spektrometern zum Einsatz kommenden zweidimensional ortsempfindlichen Röntgendetektoren von ausschlaggebender Bedeutung. Für die harte Röntgenstrahlung werden spezielle ortsempfindliche Germanium-Streifendetektoren entwickelt. Abbildung 6 zeigt einen Prototypen eines solchen Detektors ohne Gehäuse mit den darum angeordneten Vorverstärkern. Der Signalverarbeitung der vielen Einzelkanäle kommt eine besondere Bedeutung zu, weil sie durch das erzielbare Energie- und Zeitauflösungsvermögen über die Durchführbarkeit von Langzeitmessungen bei geringen Ereignissraten entscheidet.
Für die weichere Röntgenstrahlung kommen CCD-basierte Detektoren in Frage. Sie bieten eine gute Ortsauflösung und Energiediskriminierung, liefern aber keine Zeitinformation. Um die Röntgenemission von schnellen Schwerionen einem bestimmten Ladungszustand sicher zuordnen zu können und eine weitere Unterdrückung von Untergrund zu bewirken, ist aber eine ausreichende Zeitauflösung, entsprechend < 100 ns, erforderlich.  Deshalb müssen neue, besser geeignete Detektoren entwickelt und den Erfordernissen angepaßt werden. Dieser Bereich wird durch das Teilvorhaben "Entwicklung eines zweidimensionalen Multirohr-Proportionalzählers mit Zeitauflösung im Bereich von 50 ns zum Nachweis weicher Röntgenstrahlung (3–10 keV)."abgedeckt, welches sich auf die Expertise an der Universität Lüneburg stützt. Die dortigen Kollaborationspartner verfügen über umfassende Erfahrung auf dem Gebiet der Anwendung von Pixeldetektoren, der Signalaufbereitung, Datenerfassung und Analyse und können darüber hinaus auf eigene Erfahrungen in der Röntgenspektroskopie zurückgreifen. Der sehr kompakte Detektor (50 x 30 x 14 mm) wird an dem Bragg Spektrometer für die Messungen der Übergänge, die innerhalb der L-Schale von He und Li ähnlichen Schwerionen stattfinden angepasst.  Er besteht aus 64 oder mehreren zylinderförmigen Proportionalzählrohren (d = 1–2 mm), die in 4 Lagen in einem Block eingearbeitet sind.  Innerhalb jeder Lage sind die Zählrohre parallel und von Lage zu Lage senkrecht zueinander angeordnet. Weiterhin wird eine integrierte Elektronik zur Spannungsversorgung und Signal-Vorverstärkung entwickelt. Als letzter Schritt ist ein Konzept für einen MTPC als Mikrosystem geplant. Die wesentlichen Vorteile des Detektors werden seine gute Ortsauflösung, die hohe Nachweiswahrscheinlichkeit für Röntgenphotonen, dessen niedriger Hintergrund und die niedrige Herstellungskosten sein.

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.