The response of silicon PNCCD sensors with aluminum on-chip filter to visible light, UV- and X-ray radiation

摘要

Halbleiterdetektoren, wie z.B. PNCCDs, werden in den unterschiedlichsten wissenschaftlichen Feldern eingesetzt, von astronomischen Beobachtungen hin zu Experimenten an freien Elektronenlasern. Ein PNCCD ist ein pixelierter Halbleiterdetektor zur gleichzeitigen Abbildung und Spektroskopie von Röntgenstrahlung. Für die sieben PNCCDKameras des eROSITA Weltraumteleskops wurde ein Strahleneintrittsfenster mit einem auf dem Chip aufgebrachtem Lichtfilter entwickelt. Dieser Filter schwächt die Intensität von optischem Licht und UV-Strahlung ab. Der störende Einfluss der durch Licht generierten Elektronen im Silizium auf die Röntgenspektroskopie wird dadurch minimiert. Ein PNCCD mit einem solchen Lichtfilter wurde bisher noch nie für die Röntgenastronomie genutzt. In der folgenden Arbeit wird die Antwortfunktion von PNCCDs mit Filter untersucht. Diese Untersuchung beinhaltet die Analyse der Photonenabsorptions- und Emissionsprozesse sowie des Transports von Elektronen im Eintrittsfenster. Des Weiteren umfasst sie die experimentelle Charakterisierung der Detektoreigenschaften bezüglich derLichtabschwächung sowie der spektralen Verteilungsfunktion und Quanteneffizienz für Röntgenstrahlung. Der PNCCD ist hierbei Gegenstand der Analyse und zugleich Messinstrument, da dieser hochsensitive Detektor es ermöglicht, die bei der Umwandlung von Photonen in Signalladung beteiligten physikalischen Prozesse zu untersuchen. Die Messungen werden durch Simulationen der Festkörperphysik im Detektor ergänzt. Ein auf Geant4 basierendes Monte-Carlo Programm wird um die Ladungsverlustmechanismen im Eintrittsfenster erweitert und durch Vergleich mit experimentellen Daten verifiziert. Durch die Nachbildung der Ereigniskette zwischen der Absorption eines Photons und der Ladungssammlung gibt diese Arbeit ein detailliertes Verständnis der Bildung von Röntgenspektren mit PNCCDs. Die charakteristischen Strukturen in den gemessenen Spektren werden ihrem Entstehungsort im Detektorvolumen zugewiesen und durch das Modell erklärt. Auf Basis des vorgestellten Modells erlauben die Ergebnisse dieser Arbeit eine überaus genaue Analyse von Spektren wie sie in Zukunft mit eROSITA gemessen werden.