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XNAP: A Novel Two-Dimensional X-Ray Detector for Time Resolved Synchrotron Applications

Thil, Christophe Jan

German Title: XNAP: Ein neuartiger Flächendetektor zum zeitaufgelösten Nachweis von Synchrotronstrahlung

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Abstract

The XNAP project develops a demonstration system for a spatially resolving detector with timing capabilities in the nanosecond range. A dense array of avalanche photodiodes is combined with multiple readout ASICs to build the detector hybrid. On an area of nearly 1 cm2, single photons can be counted within each of the 1k pixels. After 20 years of continuous improvements during operation, the ESRF Synchrotron is going to be upgraded substantially by the replacement of major parts of the source and the beamlines. For experimental techniques that will benefit from the increased brilliance, research into X-ray detectors is required. The requirements for the novel detector are composed of the distinguished properties of multiple state-of-the-art detector systems, shifted towards technical limits. The specification is transferred into the design of the sensor, ASIC, interposing structure and the readout system. A smaller prototype detector is built to resolve implementation challenges ahead of its large-scale accomplishment. Emphasis is put on the ASIC, and parallel approaches for the interconnecting technology and the readout system are carried out. The usability of the smaller prototype system is demonstrated with measurements of microfocus X-ray and Synchrotron light. Parts of the final detector are characterized at the laboratory prior to its commissioning.

Translation of abstract (German)

Im Rahmen des XNAP-Projekts wird das Demonstrationssystem eines neuartigen Flächendetektors mit einer Zeitauflösung im Nanosekunden-Bereich erstellt. Einzelne Photonen können in jedem der 1k Pixel, die eine Fläche von 1 cm2 bedecken, gezählt werden. Eine segmentierte Lawinenphotodiode (APD) sowie mehrere Auslesechips, montiert auf beide Seiten einer Trägerstruktur, bilden den Kopf des Detektors. 20 Jahre nach Inbetriebnahme des ESRF-Synchrotrons werden erstmalig große Teile komplett ausgetauscht. Durch die Modernisierung der Quelle und diverser Strahlrohre soll die Brillanz des Synchrotronlichts wesentlich erhöht werden. Um davon vollständig in den Experimenten zu profitieren ist jedoch die Entwicklung neuartiger Detektoren notwendig. Die Anforderungen an den neuen Detektor ergeben sich aus der Kombination der herausragenden Eigenschaften mehrerer aktueller Detektoren, die an die Grenze des technisch realisierbaren angepasst werden. Diese Spezifikation wird in das Konzept für Sensor, Trägerstruktur und Chip sowie für die weitere Ausleseelektronik überführt. Anhand eines kleineren Prototyps werden die technischen Herausforderungen der Konstruktion vor der Implementierung des finalen Detektors untersucht und gelöst. Im Fokus dieser Arbeit steht der Chip, jedoch auch alternative Umsetzungen der Trägerstruktur und der Ausleseelektronik. Durch Messungen mit einer Mikrofokus-Röntgenquelle sowie am Synchrotron wird die Funktionstüchtigkeit des Prototyps bestätigt. Vor dem Zusammenbau des finalen Systems erfolgt die Charakterisierung einzelner Detektorbestandteile im Labor.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Fischer, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 19 November 2014
Date Deposited: 25 Nov 2014 08:44
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Service facilities > Institut f. Technische Informatik (ZITI)
Subjects: 004 Data processing Computer science
500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
Controlled Keywords: Synchrotronstrahlung, European Synchrotron Radiation Facility, XNAP, Lawinenphotodiode, Kundenspezifische Schaltung
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