Diplomarbeit
Weiterentwicklung eines rauscharmen, energieauflösenden Elektronendetektors für den Einsatz in der Compton-Spektroskopie bei 75 K
vorgelegt von Ulf Jastrow
Betreuung Prof. Dr.-Ing. Kindler
Lübeck im Juni 1998
Zusammenfassung
Für grundlagenphysikalische Experimente mit der Compton-Spektroskopie wird ein orts- und energieauflösender Elektronendetektor benötigt. Zur Detektion wird ein Array aus PIN-Photodioden verwendet, deren Signale mit Ladungsverstärkern aufbereitet werden.
Eine Weiterentwicklung des Detektorsystems sollte höhere Flexibilität und Wartbarkeit erreichen. Desweiteren sollte das neue System auf die Temperatur flüssigen Stickstoffs kühlbar sein, um eine weitere Rauschverminderung zu erzielen.
Ein neues Detektorsystem wurde auf der Basis eines an der FH-Lübeck konstruierten Verstärkers entwickelt. Zur vollständigen Untersuchung des Prototypens wurde ein Teststand konzipiert, der eine Tieftemperatur-Kühlung des Detektors auf 75 K erlaubt. Um die Meßdaten des Teststandes weiterverarbeiten zu können, wurde eine Konvertierungssoftware geschrieben.
Der Detektor wurde vermessen und der Einfluß verschiedener Maßnahmen wie Erhöhung der Verstärkung, Filterung der Versorgungsspannungen und Änderung der Umgebungstemperatur auf das Rauschen untersucht. Wesentliche Verbesserungen wurden durch sorgfältigen Abgleich der Transistoreingangsstufe und asymmetrische Signalübertragung erzielt. Probleme durch die thermische Belastung der in SMT gefertigten Schaltung wurden nicht festgestellt.
Ein kommerzieller Ladungsverstärker wurde in dem neuen Detektorsystem eingesetzt und dessen Leistungswerte zum Vergleich herangezogen.
Datum der Abgabe: 5. Juni 1998
Die Diplomarbeit kann man hier als Postscript-File diplom.ps.gz bekommen (2.5 MB).
1. Einführung
2. Grundlagen
2.1. Der Compton-Effekt
2.3.1. PIN-Dioden
2.3.2. Ladungsverstärker
2.3.2.1. Funktionsprinzip
2.3.2.2. Rauschquellen
3. Elektronendetektor für (g, eg)-Experiment
4. Aufbau und Leistungsmerkmale
4.1. Die Testapparatur
4.1.1. Rezipient
4.1.2. Closed-Cycle Kühlung
4.1.3. Detektorhalter
4.1.4. Druckmessung
4.2. Herstellung der Diodenträger
4.2.1. Auswahl der Dioden
4.2.2. Diodenträger mit fester Fixierung
4.2.3. Diodenträger mit schwimmender Fixierung
4.2.4. Montage der Dioden
4.3. Vorverstärker
4.3.1. Übersprechen
4.3.2. Abhängigkeit von Detektorkapazität
4.3.2.1. Abhängigkeit von der reinen Kapazität
4.3.2.2. Abhängigkeit von der Vorspannung
4.4. Charakterisierung des Detektors
4.4.1. Signalverarbeitung
4.4.2. Messungen von Rauschgrenze und Energieauflösung
4.4.2.1. Einfluß des Masse-Konzeptes
4.4.2.2. Messungen mit erhöhter Verstärkung
4.4.2.3. Versorgungsspannungs-Filterung
4.4.2.4. Variation des Integrationskondensators
4.4.2.5. Einfluß des FET-Arbeitspunktes
4.4.2.6. Modifizierte Signalübertragung
4.4.2.7. Temperaturverhalten
4.5. Vergleich mit einem kommerziellen Verstärker
4.5.1. Entwicklung der Testschaltung
4.5.2. Messungen mit kommerziellem Ladungsverstärker
4.5.2.1. Messung mit variierenden Anschlußgraden
4.5.2.2. Temperaturverhalten
6. Ausblick
7. Anhang
7.1. Literaturverzeichnis
7.2. Programm zum Auslesen des MCA
7.3. Konstruktionszeichnungen & Schaltpläne
7.3.1. Flanschdeckel des Rezipienten
7.3.2. Detektorhalter
7.3.3. Ladungsverstärker des MPI
7.3.4. Ladungsverstärker der FH-Lübeck
7.3.5. Ladungsverstärker A250
7.4. Datenblätter Dioden und ICs
7.5. Datenblätter Leitkleber und Wärmeleitpaste
7.6. Zerfallsschema des Barium 133
7.7. Photos
7.8. Erklärung zur Diplomarbeit
7.9. Danksagung