Ze względu na właściwości materiałowe detektora CdTe [68], metoda zgrzewania ul-tratermokompresyjnego nie może zostać zastosowana. Rozwiązaniem problemu połączenia detektora z układem scalonym może być zastosowanie płytki przejściowej, do której de-tektor zostanie podłączony metodą flip-chip, natomiast wejścia układu scalonego zostaną połączone do płytki poprzez zgrzewanie ultratermokompresyjne. Wadą tego rozwiązania jest znaczny koszt procesu połączenia detektora. Dla celów testowych, w przypadku de-tektora o większej odległości pomiędzy paskami (>300 µm), można zastosować metodę zgrzewania ultratermokompresyjnego po stronie układu scalonego, natomiast po stronie detektora przykleić drut z użyciem kleju przewodzącego. W tym przypadku jakość wyko-nanego połączenia może być niska co może wpłynąć na parametry szumowe układu.
Detektor CdTe 16-paskowy
Pierwszy moduł z detektorem CdTe (rys. 4.16) składał się z jednego układu SXDR64, podłączonego do 16-paskowego detektora CdTe, którego parametry zostały podane w ta-beli 4.4
Tab. 4.4. Parametry 16-paskowego detektora CdTe - dane od producenta [14].
Materiał Au/Pt/CdTe/In/Ti
Obszar detektora 20.8 mm x 3.5 mm
Odległość pomiędzy paskami 800 µm
Grubość detektora 0.5 mm
Prąd upływu w funkcji napięcia polaryzacji detektora, otrzymany z danych przedsta-wionych przez producenta [14], został przedstawiony w tabeli 4.5
Rys. 4.16. Układ SXDR64 podłączony z 16-paskowym detektorem CdTe.
Tab. 4.5. Prąd upływu w funkcji napięcia polaryzacji detektora - dane od producenta [14].
Napięcie Prąd upływu Średni prąd upływu
polaryzacji [V] detektora [nA] na pasek [pA]
100 1.36 85
150 1.68 105
250 2.37 148
500 4.32 270
600 6.06 378
W celu sprawdzenia pracy układu z różnymi wartościami prądu upływu, przeprowa-dzone zostały pomiary z różnymi wartościami napięcia polaryzacji detektora. Pomiary przeprowadzono, oświetlając detektor promieniowaniem X z lampy Cu, przy napięciu 30 kV, co pozwoliło na uzyskanie trzech energii (8 keV, 16 keV, 24 keV). Układ SXDR64 ustawiony był w tryb 2 pracy. Rysunek 4.17 przedstawia zestawienie widm energetycznych otrzymanych z pomiarów.
Pomiar dla napięcia polaryzacji równego 200 V odbiega od reszty, szczególnie w obsza-rze wyższych energii. Jest to spowodowane tym, że warstwa zubożona detektora dla tak ni-skiego napięcia polaryzacji nie jest wystarczająco gruba i nie wszystkie fotony o energiach wyższych niż 8 keV zostały zaabsorbowane w warstwie aktywnej detektora. Przy napię-ciach polaryzacji 300 V i wyższych, układ pracuje poprawnie. Wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji, rośnie prąd upływu przypadający na pasek. Rośnie zatem również wartość szumu mierzonego na wyjściu elektroniki odczytu (rys. 4.18).
100 150 200 250 300 350 10 100 1000 10000 24 keV 16 keV d N / d V T H Threshold [m V] Napi cie polaryzacj i
detektora [V] 200 500 250 550 300 600 350 650 400 700 450 8 keV
Rys. 4.17. Zestawienie widm energetycznych otrzymanych z pomiarów z różnymi wartościami napięcia polaryzacji detektora. Pomiary przeprowadzone w trybie 2 pracy układu kształtującego.
200 300 400 500 600 700 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 E N C [ e -r m s]
Napi cie polaryzacji detektora [V]
Rys. 4.18. Szumy obliczone z pomiarów z detektorem CdTe w funkcji napięcia polaryzacji detektora.
W celu obliczenia wzmocnień poszczególnych trybów pracy układu SXDR64, wyko-rzystano urządzenie R-XAS Looper firmy Rigaku Corporation, które pozwala na dobranie energii emitowanych fotonów w zakresie od 1 keV do 35 keV, z dokładnością 60 eV. Po-nieważ wiązka promieniowania miała 3 mm szerokości, w pełni oświetlone zostały tylko 3 paski detektora. Dla czterech wartości energii promieniowania (20 keV, 25 keV, 30 keV, 35 keV) przeprowadzone zostały pomiary we wszystkich trybach pracy układu sca-lonego. Widma całkowe z przeprowadzonych eksperymentów zostały przedstawione na rysunkach 4.19 oraz 4.20.
100 150 200 250 300 350 400 450 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 a) d N / d V T H Threshold [mV] Energia 20 keV 25 keV 30 keV 35 keV b) 100 150 200 250 300 350 400 450 0 4000 8000 12000 16000 20000 d N / d V T H Threshold [mV] Energia 20 keV 25 keV 30 keV 35 keV
Rys. 4.19. Widma całkowe otrzymane z pomiarów z energiami 20 keV, 25 keV, 30 keV, 35 keV. Tryb 0 (a), tryb 1 (b).
100 150 200 250 300 350 400 450 0 2000 4000 6000 8000 10000 d N / d V T H Threshold [mV] Energie 20 keV 25 keV 30 keV 35 keV 100 150 200 250 300 350 400 450 0 2000 4000 6000 8000 10000 Energie 20 keV 25 keV 30 keV 35 keV d N / d V T H Threshold [mV] a) b)
Rys. 4.20. Widma całkowe otrzymane z pomiarów z energiami 20 keV, 25 keV, 30 keV, 35 keV. Tryb 2 (a), tryb 3 (b).
Pozycje środków pików energetycznych z powyższych wyników przedstawiono, w funk-cji energii, na rysunku 4.21.
10 15 20 25 30 35 100 150 200 250 300 350 400 450 r o d e k p ik u e n e r g e t y c z n e g o [ m V ] Energia [keV] Tryb 0 Tryb 1 Tryb 2 Tryb 3
Wzmocnienia obliczone z danych na rysunku 4.21 w poszczególnych trybach pracy zestawiono w tabeli 4.6
Tab. 4.6. Wzmocnienia w poszczególnych trybach pracy układu SXDR64 obliczone z pomiarów zaprezentowanych na rys. 4.19 i rys. 4.20
Tryb Wzmocnienie pracy [µV/e−] 0 18.11 1 14.26 2 47.26 3 34.33
Można zatem zauważyć, że w porównaniu z wynikami otrzymanymi z pomiarów z im-pulsami testowymi oraz z detektorem krzemowym, wzmocnienie układu uległo zmniejsze-niu. Różnica jest szczególnie widoczna w przypadku trybów o krótkim czasie tp. Przyczyną
tego może być zbyt krótki czas tp w trybach 0 i 2 oraz wpływ prądu upływu detektora
CdTe.
Wykonano również pomiary szybkościowe z detektorem CdTe. Procedura pomiarowa przebiegała podobnie jak w przypadku detektora krzemowego. Zestawienie widm całko-wych otrzymanych w trybie 2 pracy układu, dla różnych wartości prądu lampy, przedsta-wia rysunek 4.22. 100 200 300 400 500 0,0 200,0k 400,0k 600,0k 800,0k 1,0M 1,2M I l o z l i c z e [ c p s ] Threshold [m V]
Rys. 4.22. Zestawienie widm całkowych z pomiarów szybkościowych, wykonanych z 16-kanałowym detektorem CdTe. Układ kształtujący w trybie 2.
Ilość zliczeń w funkcji ilości impulsów wejściowych dla ustawienia progu dyskryminacji na 50% energii promieniowania docierającego do detektora (8.75 keV) przedstawiono na rysunku 4.23 0,0 200,0k 400,0k 600,0k 800,0k 1,0M 1,2M 0,0 200,0k 400,0k 600,0k 800,0k 1,0M 1,2M I l o zl i cze [ cp s]
Ilo impulsów wejciowych [cps]
Rys. 4.23. Ilość zliczeń w funkcji ilości impulsów wejściowych. Układ kształtujący w trybie 2. Próg dyskryminacji ustawiono w połowie energii promieniowania padającego na detektor (8.75 keV).
Podobnie jak w przypadku pomiarów szybkościowych z detektorem krzemowym, można zauważyć, że przy 1 Mcps impulsów wejściowych układ zlicza ok. 10 % mniej. Czas mar-twy, obliczony z dopasowania powyższej charakterystyki do modelu paraliżującego, wynosi około 200 ns.
Detektor CdTe 128-paskowy
Detektor CdTe 128-paskowy połączono z układem SXDR64 przy użyciu ceramicznej płytki przejściowej (rys. 4.24). Detektor podłączono do płytki przejściowej metodą flip-chip w firmie Toyo Koku Denshi [69].
Odległość pomiędzy środkami pasków detektora wynosi 150 µm a długość pasków wynosi 2 cm. Taki detektor może być zastosowany w pomiarach dyfrakcyjnych z wyższymi energiami promieniowania X (np. z lampami z Mo - 17.5 keV lub Ag - 22 keV), przy których detektory krzemowe charakteryzują się niską efektywnością absorpcji.
Po oświetleniu detektora promieniowaniem X, z lampy Cu uzyskano widmo całkowe (rys. 4.25), dla układu kształtującego pracującego w trybie 2.
Średnia wartość szumów, obliczona z tego pomiaru, wynosi około 350 e−rms. Tak duża wartość może być spowodowana złą jakością połączenia detektor-płytka przejściowa, które wprowadza dodatkową rezystancję w linię sygnału. Schemat podłączenia detektora i układu odczytowego z zaznaczoną rezystancją połączenia RBU M P przedstawia rysunek 4.26.
Rys. 4.24. 128-paskowy detektor CdTe podłączony z układem SXDR64 przy użyciu ceramicznej płytki przejściowej. 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 100 1k 10k 100k I l o zl i cze [ cp s] Threshold [mV]
Rys. 4.25. Widmo całkowe uzyskane z 63 pasków detektora CdTe oświetlonego lampą Cu. Układ kształtujący w trybie 2.
Potwierdzeniem tego zjawiska są przeprowadzone symulacje pokazujące, że wraz ze wzrostem rezystancji połączenia maleje wzmocnienie układu (rys. 4.27 a) i rosną jego szumy (rys. 4.27 b).
Pomiary powtórzono po kilku dniach z lampą Mo. Okazało się, że 6 kanałów nie odpo-wiada na promieniowanie (rys. 4.28 a). Kolejne pomiary wykazały, że coraz więcej pasków detektora przestaje działać (rys. 4.28 b).
R
BUMPDetektor
Układ SXDR64
płytka
przejściowa
Rys. 4.26. Schemat podłączenia detektora i układu z zaznaczoną rezystancją połączenia RBU M P.
1 10 100 1k 10k 48,0µ 49,0µ 50,0µ 51,0µ 52,0µ 53,0µ 54,0µ b) W zm ocnienie G a i n [ V / e -] R BUMP [ ] a) 1 10 100 1000 10000 0 200 400 600 800 E N C [ e -r m s ] R BUMP [ ]
Rys. 4.27. Wzmocnienie (a) i szumy (b) w funkcji rezystancji RBU M P. Wyniki otrzymane z symulacji.
0 50 100 150 200 250 300 0 20k 40k 60k 80k 27 pasków nie odpowiada I l o z l i c z e [ c p s ] Threshold [mV] a) 0 50 100 150 200 250 300 0 20k 40k 60k 80k b) 6 pasków nie odpowiada I l o z l i c z e [ c p s ] Threshold [mV]
Rys. 4.28. Widmo całkowe otrzymane z lampą Mo, 6 pasków nie odpowiada (a), 27 pasków nie odpowiada (b).
Wnioski, jakie płyną z testów z detektorem CdTe paskowym o niewielkiej odległości pomiędzy paskami (≈ 150 µm), są następujące:
• wykonanie połączenia detektora z elektroniką odczytu jest zadaniem trudnym i wy-maga zastosowania zaawansowanych technologii [70], które na chwilę obecną są poza
możliwościami finansowymi prowadzonego projektu,
• przeprowadzone symulacje wykazały, że powodem dość dużej wartości szumów, osza-cowanych z pomiarów (ok. 350 e−rms), jest zła jakość połączenia detektora do płytki przejściowej.