Entwicklung von UV-MCP-Detektoren

Detektor-Prinzip

Prinzip der Photonen-Detektion mit einem Stapel aus 2 MCPs.
Prinzip des UV-MCP-Detektors.
Registrierung der Ladung aus einem MCP-Impuls mit einer Cross-Strip-Anode.
Prinzip der Signalverarbeitung.

Wir entwickeln photonenzählende, abbildende Detektoren für den UV-Bereich. Aus einer UV-empfindlichen Photokathode werden Photoelektronen ausgelöst. Diese werden in Mikrokanalplatten (micro channel plate, MCP) in eine Elektronenlawine verstärkt, welche als Ladungswolke auf eine Cross-Strip-Anode trifft. Diese besteht aus 64 Streifen in X-Richtung und 64 Streifen in Y-Richtung. Die Streifen sind so angeordnet, dass auf die X-Streifen und auf die Y-Streifen die gleichen Ladungsmengen auftreffen. Die 128 Ladungssignale werden mit einem BEETLE-Chip verstärkt und registriert und von einem FPGA weiter verarbeitet. Da die Elektronenwolke mehrere Streifen trifft, kann durch Schwerpunktsbestimmung der Auftreffort des Photons auf einen Bruchteil des Streifenabstands (1/32 oder 1/64) bestimmt werden.

Cross-Strip-Anoden

Rechteckige Cross-Strip-Anode (33mm x 44mm).
Quadratische Cross-Strip-Anode (39mm x 39mm).
Ausschnitt aus rechteckiger Cross-Strip-Anode.
Rückseite der Cross-Strip-Anode mit 144 Kontakt-Punkten.

Es wurden 2 Versionen von Cross-Strip-Anoden gefertigt: Eine rechteckige Version mit einer Anodenfläche von 33mm x 44mm und eine quadratische Version mit einer Anodenfläche von 39mm x 39 mm. Die Anoden wurden von der Firma VIA electronic gefertigt.

BEETLE-Chip

BEETLE-Hybrid-Board.
Detail: BEETLE-Chip auf dem Hybrid-Board.
Rückseite des BEETLE-Hybrids mit montiertem Federkontakt-Stecker.
 

Der BEETLE-Chip wird zur Auslese der Anodensignale verwendet. Er ist eine Entwicklung des ASIC-Labors der Universität Heidelberg und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg. Er wird auf einem von der Firma micro-Hybrid nach unseren Vorgaben gefertigten Hybrid-Modul aus LTCC eingesetzt.

FPGA und Detektor-Teststand

Test-Detektor mit Flansch für das Vakuumsystem.
Testdetektor mit Blick auf die MCP-Oberfläche.
Elektronikbox mit FPGA zur Datenerfassung am Detektor-Teststand.
 

Die Ansteuerung und Auslese des BEETLE-Chips geschieht über einen FPGA (field prgrammable gate array), einem programmierbaren Digitalelektronik-Baustein. Dieser FPGA ist über einen USB-Anschluss mit einem Windows-Rechner verbunden. In einer flugtauglichen Version könnte z.B. auch ein Space Wire Anschluss verwendet werden. Der Detektor-Teststand besteht aus einer Vakuumkammer, in der ein modulares Detektorsystem eingebaut ist. Dieses Detektorsystem lässt sich leicht modifizieren und ermöglicht es, verschiedene Detektor- und Auslesekonfigurationen zu erproben.

Visualisierung der Beetle-Daten

Visualisierung der BEETLE-Daten.
Abbildung einer Testmaske.

Das nebenstehende Bild zeigt eine Visualisierung der Daten, wie sie aus dem BEETLE-Chip ausgelesen werden:

Auf der X-Achse sind die 128 BEETLE-Kanäle aufgetragen. Davon enthalten die Kanäle 0-63 die Signale der 64 X-Streifen der Anode und die Kanäle 64-127 die der 64 Y-Streifen. Die Y-Achse des Bildes enthält die Zeitinformation: Die Messdaten werden mit 40 MHz erfasst, d.h. im Abstand von 25 ns. Jedes MCP-Ereignis triggert die Erfassung der Daten im BEETLE-Chip, dabei werden 14 aufeinanderfolgende Messwerte (Samples) aufgezeichnet. Zwischen den jeweiligen Ereignissen sind im Bild zwei schwarze Pixelreihen dargestellt, um die einzelnen Ereignisse trennen zu können. Man erkennt den räumlichen und zeitlichen Verlauf der einzelnen Impulse, jeweils simultan auf den X- und den Y-Streifen.

 

Derzeit werden Rohdaten vollständig auf den Rechner übertragen und aufgezeichnet. Zur Auswertung werden die 14 Samples eines Ereignisses aufaddiert und die Schwerpunktsbestimmung der Ladungswolken wird durch Gaussfits an die Ladungsverteilungen für X- und Y-Streifen getrennt durchgeführt. Später soll die Schwerpunktsbestimmung mit einem optimierten Verfahren in dem FPGA durchgeführt werden.

 

Das untere Bild zeigt das aus den aufgezeichneten Messdaten rekonstruierte Bild einer Testmaske.

Auflösungstests

Bild einer Testmaske mit einer Auflösung von ca. 3000 x 4000 Pixeln (rechteckige Anode).
Bildausschnitt der Testmaske.
Detail aus der Testmaske.
 

Hier ist die verkleinerte Linsenabbildung einer Testmaske zu sehen. Bei der Datenauswertung wurden die Schwerpunkte der Ladungsverteilungen in Y-Richtung auf jeweils 1/64 der Streifenabstände bestimmt. Damit entspricht die Pixelgröße rund 11 µm und das Bild hat ein Format von ca. 3000 x 4000 Pixeln (rechteckige Anode 33mm x 44mm).

 

Die beiden anderen Bilder zeigen jeweils detailliertere Ausschnitte aus diesem Bild. Die kleinsten sicher zu trennenden Testmaskenstreifen haben einen Abstand von 5 Pixeln, entsprechend ca. 55 µm. Die Abbildungsqualität wird auch durch Linsenfehler mit verschlechtert.

Flatfield-Messung

Flatfield-Bild der MCPs (Pixelgröße ca. 20 µm).
Bild eines Hot Spots (Pixelgröße ca. 10 µm).

Diese Bilder zeigt eine Flatfield-Messung (Größe der Messdatendatei ca. 164 GByte!). Die horizontalen und vertikalen Streifen sind Artefakte, die auf zu schwach verstärkende oder ausgefallenen BEETLE-Kanäle zurückzuführen sind. Außerdem sind auf der MCP-Oberfläche kleine Hot Spots (helle Stellen) und Dark Spots (dunkle Stellen) zu erkennen. Diese werden, ebenso wie die Ränder der MCPs, mit guter Schärfe abgebildet.

Weitere Entwicklungen

  • Optimierung des Auswerte-Algorithmus durch Eichung und Korrektur der BEETLE-Verstärkungsfaktoren.
  • Übertragung eines optimierten Auswerte-Algorithmus in einen FPGA.
  • Übertragung des aktuellen Virtex4-Entwurfs in einen flugtauglichen Virtex5-Entwurf.