Detection of secondary electrons with pixelated hybrid semiconductor detectors

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Sekundärelektronen mit einem pixelierten Halbleiterdetektor namens Timepix nachgewiesen. Der Timepix-Detektor besteht aus einer Elektronik und einem Sensor aus Halbleitermaterial, wobei die Verbindung dieser beiden Komponenten pixelweise durch Lotperlen hergestellt wird. Mit dem Sensor können Elektronen ab einer Energie von ca. 3 keV detektiert werden. Ein Elektron erzeugt im Halbleitermaterial abhängig von seiner Energie eine gewisse Anzahl von Elektron-Loch-Paaren, die bedingt durch die Drift im elektrischen Feld in der Pixelelektronik ein elektrisches Signal induzieren. Aber auch ohne Sensor kann ein elektrisches Signal (ab ca. 1000 Elektronen) direkt in der Pixelelektronik nachgewiesen werden. Der Timepix-Detektor ermöglicht eine Messung der Ankunftszeit oder der deponierten Energie (Ladung) eines Ladungssignals. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei verschiedene Detektorsysteme untersucht, in denen der Nachweis von Sekundärelektronen mit dem Timepix-Detektor vorgenommen wird. Zunächst wurde ein Hybrider Photonendetektor (HPD) zum Nachweis einzelner Photoelektronen evaluiert. Er besteht aus einem Vakuumbehälter mit einem Eintrittsfenster und einer Cäsiumiodid-Photokathode an der Innenseite des Fensters. Ein durch ein Elektrodensystem erzeugtes elektrisches Feld beschleunigt die in der Photokathode ausgelösten Photoelektronen zum Timepix-Detektor, der deren Auftreffort und Ankunftszeit bestimmt. Eine Zeitauflösung von 12 ns (für eine Beschleunigungsspannung zwischen Photokathode und Timepix-Detektor von 20 kV) wurde mit einem Testaufbau mit einer Proximity Focusing Elektrodengeometrie erzielt. HPDs weisen häufig eine hohe Dunkelrate auf. Das heißt, dass Elektronen nicht durch Photonen, sondern zum Beispiel durch thermische Emission, Feldemission, Untergrundstrahlung oder durch im Vakuumbehälter entstandene Ionen aus der Photokathode ausgelöst werden. Der in dieser Arbeit untersuchte HPD zeigt eine starke Abhängigkeit der Dunkelrate von der Beschleunigungsspannung und dem im Vakuumbehälter herrschenden Druck. Bei einem Druck von wenigen 1E-5 mbar und einer Beschleunigungsspannung von 20 kV beträgt die Dunkelrate etwa 800 Hz pro (mm*mm) ausgelesene Photokathodenfläche. Eine Möglichkeit, die Dunkelrate zu reduzieren, ist die Identifikation von Ionenfeedback- Ereignissen. Sie sind Teil der Dunkelrate und zeichnensich durch das zeitgleiche Auftreffen mehrerer Elektronen auf den Detektor aus. Durch Aussortieren dieser Ereignisse kann die Dunkelrate um bis zu 50% verringert werden. Mit einer leicht veränderten Konfiguration des Testaufbaus ist es möglich, die Dunkelrate noch weiter auf einen Wert von 0,5 Hz/(mm*mm) zu verringern. Dazu wird eine neu angefertigte Photokathode in einem geringeren Abstand zum Detektor montiert und die Messungen bei einem Druck von 5E-7 mbar und einer Beschleunigungsspannung von 15 kV durchgeführt. Als weitere Erprobung des HPDs sollte in Kooperation mit der niederländischen Firma Photonis ein Prototyp mit einer Cross Focusing Elektrodengeometrie gebaut und vermessen werden. Technische Schwierigkeiten verzögerten die Fertigstellung des Prototypen. Deswegen konnte er im Rahmen dieser Arbeit nicht charakterisiert werden. Das zweite zum Nachweis von Sekundärelektronen verwendete Detektorsystem ist ein mikrostrukturierter Gasdetektor namens Polapix, basierend auf der Timepix-Elektronik. Mit ihm kann die Polarisation von Röntgenstrahlung gemessen werden. Eine metallisierte Kaptonfolie dient als Kathode und gleichzeitig als Eintrittsfenster in einen gasdurchströmten Behälter. Wechselwirkt ein Röntgenphoton mit dem Gas, so wird ein Elektron erzeugt. Dieses Elektron löst auf seinem Weg durch das Gasvolumen Sekundärelektronen aus. Die Elektronen driften entlang eines angelegten elektrischen Feldes zwischen der Kathode und einem Lochgitter, das vor der Timepix-Elektronik angebracht ist. Eine hohe Spannung zwischen Gitter und Timepix beschleunigt die Elektronen so stark, dass sie weitere Elektronen auslösen (Avalanche-Effekt). Auf diese Weise wird ein Elektron so stark vervielfacht, dass die Timepix-Elektronik (ohne Sensor) in der Lage ist, das Signal zu detektieren. Über ein Streutarget wird mit einer medizinischen Röntgenröhre polarisierte Strahlung erzeugt, die mit dem Polapix detektiert werden kann. Durch Auswertung der auf den Timepix projizierten Spur des Elektronenpfades im Gasvolumen und die Bestimmung der Anfangswinkel dieser Spuren kann die Polarisation der Röntgenstrahlung nachgewiesen werden. Ein Modulationsfaktor von ca. 40% kann auf diese Weise erzielt werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass auf dem Timepix basierende Detektorsysteme zum Nachweis von Sekundärelektronen Lösungen für Probleme bestehender Detektoren von Teilchenphysikexperimenten bieten.Within the scope of this thesis, secondary electrons were detected with a pixelated semiconductor detector named Timepix. The Timepix detector consists of electronics and a sensor made from a semiconductor material. The connection of sensor and electronics is done for each pixel individually using bump bonds. Electrons with energies above 3 keV can be detected with the sensor. One electron produces a certain amount of electron-hole pairs according to its energy. The charge then drifts along an electric field to the pixel electronics, where it induces an electric signal. Even without a sensor it is possible to detect an electric signal from approximately 1000 electrons directly in the pixel electronics. With the Timepix detector it is possible to detect either the time of arrival or the deposited energy (charge) of a charge signal. Two different detector systems to detect secondary electrons using the Timepix detector were investigated during this thesis. First of all, a hybrid photon detector (HPD) was used to detect single photoelectrons. The HPD consists of a vacuum vessel with an entrance window and a cesium iodine photocathode at the inner surface of the window. Photoelectrons are released from the photocathode by incident light and are accelerated in an electric field towards the Timepix detector, where the point of interaction and the arrival time of the electron is determined. With a proximity focusing setup, a time resolution of 12 ns (with an acceleration voltage of 20 kV between photocathode and Timepix detector) was obtained. HPDs often have a high dark rate, meaning that electrons are released from the photocathode not by photons but from e. g. thermal effects, field emission, background radiation or ions produced in the vacuum vessel. The HPD examined in this thesis showed a strong dependence of the dark rate form the acceleration voltage and the pressure in the vacuum vessel. At a pressure of few 1E-5 mbar and an acceleration voltage of 20 kV, the dark rate was about 800 Hz per (mm*mm) area of the read out photocathode. One possibility to reduce the dark rate is to identify ion feedback events. Ion feedback is a part of the dark rate and is recognizable because of the simultaneous detection of several electrons. By sorting out those events, the dark rate can be reduced by up to 50%. With a slightly modified setup it was possible to reduce the dark rate to 0.5 Hz/(mm*mm). To achieve this, a new photocathode was mounted in a shorter distance to the detector. The measurements where taken with a much less pressure of 5E-7 mbar and an acceleration voltage of 15 kV. For further investigations, a prototype with a cross focusing geometry should have been produced in cooperation with the Dutch company Photonis. Due to technical trouble, the fabrication of the prototype was delayed and not finished in time for this thesis. The second detector system to measure secondary electrons was a micropattern gaseous detector, named Polapix, based on the Timepix electronics. With this detector it was possible to determine the polarization of X-radiation. A metallized Kapton foil is used as entrance window to the permanently gas-filled detection volume. Through interaction of an X-ray with the gas, an electron is produced. This electron releases secondary electrons along its way through the gas. Those secondary electrons are drifting along an electric field between entrance window (cathode) and a grid, placed in front of the Timepix detector. A high voltage between the grid and the detector accelerates the electrons so that they produce even more electrons (avalanche effect). The signal is hight enough to detect it with the Timepix electronics. X-rays from a medical X-ray tube were polarized across a scattering target and measured with the Polapix detector. By analyzing the tracks of the electrons through the gas, projected onto the Timepix, and the determination of the starting angle of those tracks, the polarization of X-rays can be determined. The results presented in this thesis show, that Timepix-based detector systems for measuring secondary electrons based on the Timepix solve some problems of existing detectors for astroparticle physics