Evaluation of Different Sensor Materials for the Medipix X-Ray Detectors

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2006-07-27
Issue Year
2006
Authors
Mitschke, Michaela
Editor
Abstract

The Medipix detectors developed in the framework of the Medipix collaboration profit from the detector development for high energy particle physics and are designed for applications in the field of medical physics, material sciences and other research fields requiring X-ray imaging systems. This thesis investigates the spatial and energy resolution of the mentioned Medipix detectors and furthers the understanding of the relevant processes to create a complete simulation model. The loss of resolution due to the path of the secondary electrons inside the sensor medium and multiple scattering of incident photons was investigated in detail with Monte Carlo simulations. It was found that it is not sufficient to estimate the interaction point of a photon with the simple exponential distribution of the attenuation coefficient. To correctly simulate a detector, the path of the secondary electrons needs to be taken into account as well as fluorescence radiation and multiple Compton scattering. The extent of charge sharing on the energy and spatial resolution of the detector was investigated by both measurements and simulations. The measurements were done at the synchrotron light sources ESRF and ANKA. The results of those measurements could be reproduced with a combined Monte-Carlo/diffusion of charge carriers simulation. The diffusion of charge carriers was modelled with a simple diffusion approximation based on the Einstein relation. The validity of this approach was checked by detailed transient carrier transport simulations with the device simulation program \textsc{Medici}. GaAs sensors bump bonded to the Medipix1 chip were evaluated. The sensors show good spatial resolution, despite resistivity variations in the GaAs and the presence of a dead zone in the detector material. The active zone grows from the pixel contacts into the sensor, and so the count rate is in fact higher if the sensors are illuminated from the back side, through the readout electronics. Comparing the count rate for illumination from both sides, with corrections for the absorption of chipboard and readout, the width of the active layer was determined for different GaAs assemblies. A straightforward approach to simulate the charge collection efficiency is described. Based on the Shockley-Ramo theorem, with consideration of the influence of the aspect ratio between pixel size and detector thickness, the charge collection efficiency can be calculated for any pixel size and mobility/lifetime combination. Another ESRF beam time allowed the characterization of the crystalline quality of the GaAs sensors. The technique of Rocking Curve Imaging was used to investigate the strain resulting from the bump bonding process. Additionally, the high signal-to-noise ratio of the Medipix2 was exploited to observe directly the formation of dynamical diffraction patterns inside the silicon sensor layer of the Medipix2 chip.

Abstract

Die Medipix Detektoren wurden innerhalb der Medipix Collaboration entwickelt. Sie profitieren von der Detektorentwicklung auf dem Gebiet der Hochenergie-Teilchenphysik und wurden entworfen für Anwendungen in der Medizinphysik, den Materialwissenschaften und anderen Forschungsbereichen, die bildgebende Systeme für Röntgenstrahlung benötigen. Diese Doktorarbeit befaßt sich mit einer Untersuchung der relevanten Prozesse für die Energie-- und Ortsauflösung der genannten Medipix Detektoren, um ein vollständiges Simulationsmodell zu erstellen. Der Verlust an Ortsauflösung, der sowohl durch die Weglänge der sekundären Elektronen im Sensormaterial, als auch durch das Auftreten von Mehrfachwechselwirkungen einfallender Photonen entsteht, wurde detailliert mittels Monte Carlo Simulationen untersucht. Es ergibt sich, daß es nicht ausreichend ist, den Wechselwirkungspunkt eines Photons mittels einer einfachen exponentiellen Abschwächung abzuschätzen. Um einen Detektor korrekt zu simulieren, muß die Bewegung der sekundären Elektronen ebenso berücksichtigt werden wie Fluoreszenzstrahlung und mehrfache Comptonstreuung. Untersucht wurden auch Medipix1 Detektoren mit einer GaAs Sensorschicht. Die Sensoren zeigen eine gute Ortsauflösung, trotz einer Schwankung des spezifischen Widerstandes im GaAs und des Auftretens einer toten Schicht im Detektor. Die aktive Schicht wächst von den Pixelkontakten ausgehend in das Sensorvolumen, und somit ist die Zählrate höher, wenn die Detektoren von der Rückseite, durch die Ausleseelektronik hindurch, bestrahlt werden. Durch einen Vergleich der Zählraten für Bestrahlung von beiden Seiten, mit Korrekturen für die Absorption der Trägerplatine und Auslesechip, konnte die Dicke der aktiven Schicht bestimmt werden. Ein einfacher Ansatz zur Simulation der Ladungssammlungseffizienz wird vorgestellt. Basierend auf dem Shockley-Ramo Theorem, unter Berücksichtung des Einfluß des Verhältnisses von Pixelgröße zu Detektordicke, kann die Ladungssammlungseffizienz für verschiedene Pixelgrößen und unterschiedliche Mobilitäten und Lebensdauern berechnet werden. Die Diffusion der Ladungswolke während der Drift zu den Pixelkontakten kann dazu führen, daß die ankommende Ladung von mehreren Pixelkontakten gesammelt wird. Es kommt zu einer Aufteilung der Ladung (Charge Sharing) und dadurch bedingt zu einem Verlust an Orts- und Energieauflösung. Der Einfluß des Charge Sharing auf den Detektor wurde mittels Experimenten und Simulationen untersucht. Die Messungen wurden an den Synchrotronstrahlungsquellen ESRF und ANKA durchgeführt. Der hohe Fluß an Synchrotronquellen erlaubt eine hohe Kollimation des monochromatischen Strahls bei ausreichender Zählrate. Somit kann die Zählrate eines Pixels in Abhängigkeit von der Position der einfallenden Strahlung, Photonenenergie, Sensorspannung und Energieschwellwert bestimmt werden. Die Ergebnisse dieser Messungen konnten mittels einer kombinierten Monte Carlo/Ladungsträgerdiffusions--Simulation reproduziert werden. Mittels der Untersuchungsmethode des Rocking Curve Imaging wurde die die kristalline Qualität der erwähnten GaAs-Sensoren sowie ihre Verspannung durch den Bumpbond-Prozeß untersucht. Durch Ausnutzung des hohen Signal-zu-Rausch Verhältnisses des Medipix2 Detektors konnte direkt die Entstehung dynamischer Beugungseffekte innerhalb eines Siliziumsensors beobachtet werden.

DOI
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