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Detektoren

Um die einzigartigen Eigenschaften des European XFEL voll auszuschöpfen, müssen spezielle Detektoren entwickelt werden, die anspruchsvolle Anforderungen erfüllen müssen.

Die Grundidee hinter einem typischen Experiment an einem Röntgenlaser ist simpel: Man bestrahle Proben mit intensiven Röntgenblitzen und zähle die Photonen – die Bestandteile von Licht, die von den Proben in verschiedene Richtungen gestreut werden. Von den resultierenden zweidimensionalen Mustern der gestreuten Photonen können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Strukturen der Proben schließen.

Um Photonen zu zählen, brauchen sie entsprechende Detektoren. Dabei werden beim European XFEL drei verschiedene Typen von zweidimensionalen Photonendetektoren zum Einsatz kommen:

Schnelle Detektoren für einen großen Energiebereich

Um die einzigartigen Eigenschaften des European XFEL auszureizen, wurde 2006 ein Detektorprogramm ins Leben gerufen. Nachdem es vom Projektteam des European XFEL ausgeschrieben wurde, erhielten drei von sechs Arbeitsgruppen den Zuschlag, Kameras mit den erforderlichen Eigenschaften zu entwickeln.

Diese drei Projekte müssen große technologische Herausforderungen meistern, um die erforderliche Empfindlichkeit, Winkelauflösung, Strahlenrobustheit und Datenzwischspeicherung zu erreichen. Jedes Projekt verfolgt einen eigenen Ansatz, aber alle basieren auf Silizium als Sensormaterial und nutzen eingebaute Ausleseelektronik (Vorverstärker und Speicher), um besonders schnell und empfindlich zu sein. Letzteres macht sie größer als kommerziell verfügbare Sensoren für sichtbares Licht.

In den Jahren 2010 und 2011 bestanden alle drei Projekte eine intensive Begutachtung und auch die ersten Leistungsmessungen waren erfolgreich.

Die drei Projekte sind:

  • AGIPD
    Adaptive Gain Integrating Pixel Detector
    Konsortium: DESY, Universität Hamburg, Universität Bonn und das Paul Scherrer Institut in Villigen, SLS
  • DSSC
    DEPFET (Depleted P-Channel Field Effect Transistor) Sensor with Signal Compression
    Konsortium: DESY, Max-Planck Halbleiterlabor München, Universität Siegen, Universität Bergamo, Universität Heidelberg, Politecnico di Milano
  • LPD
    Large Pixel Detector
    Konsortium: Rutherford Appleton Laboratory/STFC mit Beiträgen der Universität Glasgow

Anforderungen an die 2D-Pixel-Detectoren

Schnelligkeit

Eine typische Spiegelreflexkamera kann ein paar Bilder pro Sekunde aufnehmen; im Videomodus schafft sie bis zu 30. Der European XFEL wird hingegen 27 000 Blitze pro Sekunde erzeugen. Und was die Sache verkompliziert: Diese Blitze sind nicht gleichmäßig verteilt, sondern liegen in zehn Zügen zu jeweils 2700 Stück mit einem Abstand von nur 220 milliardstel Sekunden vor. Das Ziel der ersten Detektoren wird es sein, 3000 bis 6000 der besten dieser 27 000 Blitze einzufangen. Dieses überaus ehrgeizige Ziel wurde zuvor noch nicht erreicht.

Dynamischer Bereich und Empfindlichkeit für einzelne Photonen

Auf einige Bereiche der Detektoren werden zehntausende Photonen prallen, auf andere wird nur ein einzelnes Photon treffen. Für die Datenanalyse ist es von großer Bedeutung zu wissen, ob es nun genau ein Photon war, vielleicht zwei oder gar keines. Wenn eine Kamera wenige und sehr viele Photonen gut auseinander halten kann, spricht man davon, dass sie über einen hohen dynamischen Bereich verfügt.

In dieser Hinsicht übertreffen die Kameras des European XFEL alle kommerziell erhältlichen Detektoren um mehrere Größenordnungen. Eine normale Kamera kann in der Regel 256 Abstufungen von Rot, Gelb und Blau unterscheiden; diejenigen am European XFEL werden bis zu 10 000 verschiedene Abstufungen differenzieren können. Diese Daten müssen im Detektor zwischengespeichert werden, bevor sie weiter verarbeitet werden. Die dazu notwendige Elektronik braucht Platz und macht die Detektoren vergleichsweise groß.

Strahlenrobustheit

Röntgenphotonen sind sehr energiereich. Weil sie damit Materie recht einfach durchdringen können, sind sie so nützlich für die Forschung. Wenn die Photonen ihre Energie jedoch in der Elektronikschicht eines Detektors abgeben, sind Fehlfunktionen nur eine Frage der Zeit. Ein spezielles Design muss sich dieses Problems annehmen.

Schnelle Detektoren für energiereiche Photonen

Das Programm für diese Detektoren wird 2012 starten.

Langsame Detektoren für energiearme Photonen

Diese Detektoren entsprechen einem konventionellerem Design, werden aber dennoch ausgeklügelte Systeme mit einer hohen Strahlenrobustheit und Genauigkeit sein.