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Forschungsarbeit

Designstudie und experimentelle Evaluation eines Hybriden Photonendetektors basierend auf dem Timepix-Detektor

Von Tilman K. Rügheimer

Die Detektion von Lichtsignalen geringer Intensität bis hin zu einzelnen Lichtquanten (Photonen) ist für vielfältige Anwendungen von großer Wichtigkeit. Hierzu gehören beispielsweise der Nachweis von Teilchen und Strahlung höchster Energien in der Astroteilchenphysik, die Spektroskopie an Atomen, Molekülen und Festkörpern oder aber moderne Methoden der medizinischen Bildgebung wie die Positronenemissionstomographie.
Photonendetektoren müssen neben exzellenter Einzelphotonenauflösung eine hohe Ratenfestigkeit, eine hohe Orts- und Zeitauflösung und eine hohe Quanteneffizienz im jeweiligen Wellenlängenbereich besitzen. In meinem Forschungsprojekt wird das Design eines neuartigen Hybriden Photonendetektors (HPD) in Experiment und Simulation untersucht.


Wie in Abb. 1 und 2 erkennbar befindet sich am Boden einer Vakuumröhre ein pixelierter Halbleiterdetektor, der orts- und zeitaufgelöst Elektronen nachweist, die durch auf die Photokathode treffende optische Photonen ausgelöst werden. Die Elektronik in jedem Pixel ermöglicht die instantane Vorbehandlung des Signals noch vor der Auslese. Eine derartige Möglichkeit der Datenreduktion ist für Großexperimente wie Neutrinoteleskope sehr wichtig und in bisherigen Detektoren nicht realisiert.

Schemazeichnung der Vakuumröhre[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 1: Schemazeichnung der Vakuumröhre mit Sensor und Elektronik am Boden. Aus der Photokathode emittierte Elektronen werden durch ein elektrisches Feld im Vakuum auf den Sensor abgebildet.
Dreidimensionale Darstellung der Vakuumröhre[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 2: Dreidimensionale Darstellung der Vakuumröhre zur Visualisierung der Abbildung der Photokathodenfläche (oben links) auf den Sensor (unten rechts). Die Anordnung besitzt einen Fokuspunkt, in dem sich die Elektronenpfade schneiden.

 

In meinem Testaufbau am CERN in Genf kommt der Timepix-Detektor zum Einsatz, der im Rahmen der Medipix-Kollaboration insbesondere für Anwendungen in der Medizin entwickelt wurde. In Abb. 3 ist der Timepix auf einem Chipboard zu sehen. Die hohe Pixelzahl (65.000) ermöglicht eine hohe Ortsauflösung durch eine hohe Anzahl parallel arbeitender Kanäle. Durch eine eingebaute schnelle Uhr wird eine hohe Zeitauflösung im Nanosekundenbereich realisiert.
Mit dem Testaufbau wurde zunächst die Einsetzbarkeit des Timepix in einem HPD nachgewiesen ("proof of principle"). Aus den Messdaten wurden Informationen über Orts- und insbesondere Zeitauflösung extrahiert. Hebel zur Verbesserung der Zeitauflösung wurden anhand von Simulationen identifiziert.


Im weiteren Verlauf meines Dissertationsprojekts werden ergänzende Messungen und Simulationen durchgeführt werden, um die optimale Detektorkonfiguration zu bestimmen. Neben Vorschlägen zur Weiterentwicklung des Timepix ist die Evaluation alternativer Geometrien für die Vakuumröhre geplant. Weiterhin ist der Bau eines Prototypen in Vorbereitung.

Timepix-Detektor[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 3: Der Timepix-Detektor auf einem Chipboard angeschlossen an eine USB-fähige Ausleseelektronik.

Das Bild auf der Titelseite zeigt den Neutrinodetektor "ANTARES" unter Wasser, (c) F. Montanet, CNRS/IN2P3 and UJF for Antares.


Tilman K. Rügheimer
Tilman K. Rügheimer
* 1983
  • Erlangen Centre for Astroparticle Physics

Stationen
  • Studium (2002-2006) und Promotion (seit 2007) im Rahmen des ENB-Projekts "Hochbegabtenstudiengang Physik mit integriertem Doktorandenkolleg

Veröffentlichungen
  • T. K. Rügheimer, U. Gebert, T. Michel, G. Anton, J. Séguinot, C. Joram:
  • "Design Study and Experimental Demonstration of a Hybrid Photon Detector based on the Timepix Detector", eingereicht bei Nucl. Instr. Meth. A (April 2008)