Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Elektronendetektor (FHL-Detektor) zeigte bei Raumtemperatur in Rauschgrenze und Energieauflösung mit dem Desy-Detektor vergleichbare oder um einige Prozent bessere Werte. Eine Kühlung des Detektorsystems bis auf -20°C erhöhte die Energieauflösung um 20%. Niedrigere Temperaturen bis hinunter zu -200°C erbrachten nur eine marginale Verbesserung. Die Rauschgrenze fiel bis etwa -30°C um 30%, um in kälterer Umgebung gleichfalls annähernd konstant zu bleiben (siehe Abbildungen 41 und 40).

Um die volle Leistungsfähigkeit des FHL-Detektors zu erhalten, mußte der Arbeitspunkt des Eingangstransistors im Betrieb abgeglichen werden. Diese Maßnahme wurde schon in [Pol97] vorgeschlagen, jedoch nicht umgesetzt. Im konkreten Fall konnte das Rauschverhalten des Detektors mit dieser Maßnahme um etwa 20% verbessert werden.

Die zunächst aus historischen Gründen eingesetzte symmetrische Signalübertragung vom Vor- zum Hauptverstärker trug ihrerseits zum Rauschen bei. Asymmetrisch übertragene Signale wiesen eine um etwa 20% besseres Energieauflösung auf.

Andere Einflüsse auf die Signalqualität wie zum Beispiel die Art der Masseverteilung, Filterung der Spannungsversorgung und Größe des Integrationskondensators waren zwar vorhanden, jedoch im Vergleich zu den bislang genannten Maßnamen vernachlässigbar.

Der Aufbau des Detektors selbst deckte keine Schwierigkeiten durch den hohen möglichen Temperaturhub von 220 K auf. Sowohl die elektronische Schaltung als auch die geklebten Dioden überstanden die Temperaturzyklen ohne Ausfälle. Nach einiger Zeit wurde jedoch ein feiner, weißlicher Belag auf den Bauteilen und der Trägerplatine des stark gekühlten Teil sichtbar. Es kann nicht ausgeschlossen werden, daß dieser nachteilige Auswirkungen hat, Vergleiche mit einem frisch bestückten Exemplar zeigten jedoch keine Unterschiede.

Die schwimmende Lagerung der Photodioden in Wärmeleitpaste wurde erfolgreich umgesetzt. Es konnten signaltechnisch keine Unterschiede zu geklebten Dioden festgestellt werden.

Die räumliche Trennung von 'kaltem' und 'warmen' Teil des Detektorsystems erwies sich mit 7 mm als groß genug. Der Temperaturhub auf dem 'warmen' Teil aufgrund der durch die Verbindungsleitungen gegebenen thermischen Kopplung beider Teile entsprach nur einem Zwanzigstel des Hubs des 'kalten' Teils. Ein variierbarer Abstand beider Teile erscheint nun nicht mehr notwendig.

Der Aufbau mit dem kommerziellen Ladungsverstärker A250 erwies sich um fast den Faktor 2 bei der Energieauflösung und den Faktor 3 beim Grundrauschen besser, als mit dem im FHL-Ladungsverstärker eingesetzten OPA 620. Da bei einige Messungen nur der Operationsverstärker durch den A250 ersetzt und alle anderen Bauteile des FHL-Systems benutzt wurden, scheint in der Auswahl des Operationsverstärkers noch ein hohes Potential zur Verbesserung des Detektors zu liegen. Allerdings unterscheiden sich die beiden Verstärker im Preis auch um den Faktor 60.

Auch bei Verwendung von diesem Ladungsverstärker zeigte sich, daß ein Kühlen unter -40°C nicht nötig ist. Die Rauschgrenze war mit dem A250 annähernd unabhängig von der Temperatur des 'kalten' Teils (Abb. 40). Hieraus kann geschlossen werden, daß die Rauschgrenze im wesentlichen von der Wahl des Integrierer-OPs abhängig ist, da die durch die Erniedrigung der Temperatur einhergehende Rauschverminderung in den anderen beteiligten Bauelementen keinen Effekt zeigt. Der beim FHL-Verstärker beobachtete Zusammenhang zwischen Temperatur und Rauschgrenze könnte durch die leichte, parasitäre Kühlung des Integrierer-OPs begründet sein. Vermutlich würde eine Verringerung der Temperatur dieses OPs an die Spezifikationsgrenze (-40°C bzw. -55°C) eine wesentliche Verbesserung des Rauschverhaltens erbringen.

Abbildung 40: Rauschgrenze des FHL-Detektors mit FHL-LeV (à) und mit A250 (D) bei verschiedenen Temperaturen des 'kalten' Teils

Die Verbesserung der Energieauflösung ist bei beiden Varianten in etwa gleich (Abb. 41). Diese scheint also vor allem durch die stark gekühlten Teile wie Photodiode und FET bestimmt zu sein.

Abbildung 41: Energieauflösung des Detektorsystems mit FHL-LeV (à) und A250 (D) bei verschiedenen Temperaturen des 'kalten' Teils

Die Auflösung ist jedoch noch nicht so hoch, daß die vom Elektronendetektor ermittelten Energien in die Berechnungen des (g, eg)-Experimentes einfließen können. Hierzu wäre eine Energieauflösung kleiner 1 keV erforderlich [Bel97].

Der entwickelte FHL-Detektor ist aufgrund seiner Leistungsfähigkeit als Ersatz für den Desy-Detektor geeignet. Einzig die Flächennutzung f der Teststruktur sollte in der Serienversion noch erhöht werden. Sie liegt jetzt bei 0,08 und ist somit 6,7 mal geringer als beim Desy-Detektor. Als Lösung könnte eine gemeinsame Trägerplatine, analog des Desy-Detektors aber mit schwimmender Lagerung der Dioden zur leichteren Tauschbarkeit, dienen.

Eine Ursache der geringeren Nutzung ist die kleinere aktive Fläche der Dioden. Die ungenutzte Randbreite ist unabhängig von der aktiven Fläche bei allen Diodentypen etwa 1 mm. Hinzu kommt der Platz für die Bondungen auf dem Diodenträger. Größere Dioden in einem weiteren Abstand zur Probe können hier Abhilfe schaffen.

Der FHL-Detektor sollte auf asymmetrischer Signalübertragung umgestellt werden. Neben den Verbesserungen im Rauschverhalten nimmt die zu kühlende Verlustleistung im Rezipienten ab, und die vorher notwendigen Symmetrieverstärker vor den Hauptverstärkern entfallen. Der Platzbedarf für einen Vorverstärker sinkt mithin um 30%.

Zur Verbesserung der Energieauflösung könnten Aperturblenden für die Photodioden vorgesehen werden. Diese verhindern das Eindringen von Elektronen in die Randbereiche der Dioden, in denen eine inhomogene RLZ herrscht.

Die beiden getrennten Teile des Vorverstärkers können zusammen auf eine gemeinsame Kühlplattform aufgebracht werden. Eine Temperatur von -30°C bis -40°C reicht für den bisherigen 'kalten' Teil aus und bringt eine Rauschverminderung beim 'warmen' Teil. Die Kühlung könnte dann mit geringem Aufwand mittels Peltierelementen erzeugt werden. In diesem Fall müßte keine aufwendige Helium- oder Stickstoffkühlung verwandt werden. Entsprechende Untersuchungen [Köh91] zeigten allerdings Signalstörungen, die von dem mehrere Ampere starken Strom der Peltierelemente herrührten [Now97].

Abschließend kann für die nächste Generation des ortsauflösenden Elektronendetektors das FHL-Detektorsystem empfohlen werden. Eventuell könnte zur weiteren Leistungssteigerung statt des FHL-Ladungsverstärkers der A250 eingesetzt werden.

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