Homogenität der lokalen spektralen Empfindlichkeit und der Transmission

0.273 A/W [Scho96, Scho98]. Für die vorliegenden Photodioden kann w für Silizium aus der gemessenen Obergrenze der spektralen Empfindlichkeit, der so genannten Photostrom-methode [Scho00], mit der Elementarladung e gemäß w = e / smax bestimmt werden und beträgt (3.66 ± 0.03) eV.

Das Verfahren zur Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit von Halbleiter-Photodioden mit dem Kryoradiometer SYRES I unter Verwendung des neuen Hohlraumabsorbers wurde durch verschiedene Methoden validiert. Sekundärnormal-Photodioden werden jährlich gegen das Kryoradiometer kalibriert, so dass für einige Dioden, insbesondere vom Typ S3590 und AXUV 100, Vergleichsdaten über mehrere Jahre vorliegen, die mit dem früheren Kupfer-absorber bestimmt wurden. Im Rahmen der Messunsicherheiten konnte dabei keine Veränderung bei Verwendung des neuen Absorbers im Vergleich zum bisherigen Kupfer-absorber festgestellt werden (Abbildung 6.3).

Außerdem wurden in den jeweils überlappenden Spektralbereichen von SX700-Strahlrohr und FCM-Strahlrohr (1.75 keV bis 1.9 keV) sowie von FCM-Strahlrohr und WLS-Strahlrohr (8 keV bis 10 keV) Vergleichsmessungen durchgeführt. Innerhalb der Messunsicherheiten stimmten die Kalibrierdaten dabei an zwei energetisch aneinander grenzender Strahlrohre gut überein und zeigten einen stetigen Verlauf (Abbildung 6.5). Darüber hinaus wurde die spektrale Empfindlichkeit der Photodioden unter Verwendung von Parametern wie der Dicke des aktiven Materials berechnet, die aus Messungen in anderen Spektralbereichen bestimmt wurden. Die genannten Methoden lieferten konsistente Ergebnisse für die spektrale Empfindlichkeit der jeweiligen Photodiode. Die relativen Unsicherheiten lagen unterhalb 0.4 % im gesamten untersuchten Spektralbereich und werden in Abschnitt 6.5 detailliert diskutiert.

6.3 Homogenität der lokalen spektralen Empfindlichkeit und der Transmission von

6.3 Homogenität der lokalen spektralen Empfindlichkeit und der Transmission

sofern sich die zu untersuchende Diode nicht auf einem undurchlässigen Träger befindet.

Die jeweilige Photodiode wurde hierzu auf zwei zueinander senkrechten Lineardurch-führungen montiert. Am WLS-Strahlrohr befanden sich die Dioden auf einer waagrechten Lineardurchführung, und die Vertikale konnte über die Höhe des Experimentiertisches variiert werden. Bei verschiedenen Photonenenergien wurden zunächst so genannte Kreuzscans über der Mittenposition durchgeführt, bei denen in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen lokal die spektrale Empfindlichkeit bestimmt wurde, so dass etwaige Inhomogenitäten in unmittelbarer Nähe der Mittenposition lokalisiert und gegebenenfalls Rasterscans über die gesamte Dioden-Oberfläche durchgeführt werden konnten.

Alle in dieser Arbeit kalibrierten Photodioden wurden bei mindestens einer Photonenenergie in einem automatisierten Rasterscan mit einer minimalen Schrittweite von 100 µm und einem Strahldurchmesser von 100 µm in beiden Richtungen vollständig abgerastert. Die Positionier-genauigkeit des Strahles war bei diesem Verfahren besser als 50 µm. Bei allen Messungen wurde mit einer Röntgen-CCD-Kamera (XCCD), die eine Pixelgröße von 23.5 µm x 23.5 µm besitzt, die exakte Strahlposition ermittelt und kontrolliert. Mit kleinen Strahldurchmessern von wenigen 10 µm ließen sich Untersuchungen mit sehr hoher räumlicher Auflösung durch-führen, wobei es sogar möglich war, einzelne Pixel der XCCD-Kamera gezielt zu bestrahlen.

Während einige der untersuchten Photodioden eine homogene Empfindlichkeit aufweisen, wurden bei anderen Photodioden deutliche lokale Inhomogenitäten festgestellt. Bei manchen Dioden ist das Vorhandensein von Inhomogenitäten auch stark von der jeweiligen Photonen-energie abhängig. Bei der Hamamatsu-Diode vom Typ S3590 wurde ein deutlicher Sprung in der spektralen Empfindlichkeit bei einer Photonenenergie von 25.5 keV zu höheren Werten festgestellt (Abbildung 6.5), der durch die Fluoreszenz des Leitsilbers, mit dem die Diode auf ihrem Träger befestigt ist, oberhalb der Ag K-Absorptionskante zustande kommt (25.514 keV) und durch Oberflächenscans bei Photonenenergien unterhalb und oberhalb der Absorptionskante untersucht werden konnte (Abbildung 6.6).

Bei einer Photonenenergie von 25 keV unterhalb der K-Absorptionskante (Abbildung 6.6, oben) wurde eine bis auf Variationen in der Größenordnung von ± 2 % homogene spektrale Empfindlichkeit ermittelt. Dennoch lassen sich Strukturen geringfügig erhöhter Werte feststellen, die möglicherweise durch L-Fluoreszenz oder am Leitsilber gestreute Strahlung zustande kommen. Oberhalb der K-Absorptionskante (Abbildung 6.6, unten) treten diese Veränderungen durch die Silberkontakte deutlich hervor und machen eine Erhöhung der spektralen Empfindlichkeit von über 10 % aus, an anderen Stellen ist wiederum eine deutliche Verringerung von über 10 % bezüglich der Mittelposition festzustellen.

Abbildung 6.6: Die lokale spektrale Empfindlichkeit einer Photodiode vom Typ S3590 (Hamamatsu) bei Photonenenergien unterhalb (25 keV, Abbildung oben) und oberhalb (30 keV, Abbildung unten) der Silber K-Absorptionskante

Tatsächlich ist die Verwendung von Leitsilber für die Kontaktierung auf der Rückseite der Photodiode eine typische Ursache für Inhomogenitäten im Bereich hoher Photonenenergien.

Sobald die Silizium-Diode für einen Teil der auftreffenden Strahlung durchlässig wird, wird diese an den Kontakten auf der Rückseite absorbiert und erzeugt Fluoreszenzstrahlung, welche wiederum von der Photodiode detektiert wird. Dies führt zu einer lokalen Erhöhung der spektralen Empfindlichkeit. Aus diesem Grund werden im Energiebereich harter

6.3 Homogenität der lokalen spektralen Empfindlichkeit und der Transmission

Röntgenstrahlung freistehende Photodioden ohne Trägermaterial auf der Rückseite für die Verwendung in der Radiometrie bevorzugt. Diese können außerdem für die Signalnormierung in Transmission betrieben werden.

Abbildung 6.7: Die lokale relative spektrale Empfindlichkeit einer Halbleiter-Photodiode vom Typ Canberra PIPS 50-300 (oben) und ihre lokale absolute Transmission (unten) bei einer Photonenenergie von 30 keV

Abbildung 6.7 zeigt ein Beispiel für eine solche Photodiode, bei der es sich um eine Silizium-Diode vom Typ Canberra PIPS 50-300 handelt. Diese wurde bei einer Photonen-energie von 30 keV oberhalb der Silber K-Absorptionskante bestrahlt und zeigt im Bereich von ± 1 % eine homogene spektrale Empfindlichkeit (Abbildung 6.7, oben), welche auch im

gesamten untersuchten Spektralbereich gegeben ist. Lediglich in einem 1 mm breiten ringförmigen Randbereich wurde eine erhöhte spektrale Empfindlichkeit um bis zu 4 % festgestellt, die durch die Fluoreszenz des Leitsilbers, mit dem Diode ringförmig auf ihrem Träger befestigt ist, zustande kommt. Einige Photodioden wie die beiden untersuchten Dioden vom Typ SPD-100 UV weisen lokale Maxima mit einer um bis zu 20 % erhöhten spektralen Empfindlichkeit auf (Abbildung 6.8), die im gesamten am WLS-Strahlrohr unter-suchten Energiebereich auftreten.

Abbildung 6.8: Die lokale spektrale Empfindlichkeit einer Photodiode vom Typ SPD-100 UV bei einer Photonenenergie von 30 keV

Photodioden mit einer homogenen spektralen Empfindlichkeit und einer homogenen Transmission eignen sich besonders zum Betrieb als Monitor-Dioden zur Signalnormierung, da das Verhältnis ihres Signalstromes zur transmittierten Strahlungsleistung auch bei mög-lichen Strahllageschwankungen und Veränderung des Strahldurchmessers konstant bleibt.

Die lokale Transmission der Photodioden wurde untersucht, indem drei Photodioden hinter-einander im Photonenstrahl angeordnet wurden. Die erste Diode diente zur Normierung des von der dritten Diode verzeichneten Signalstroms. Die untersuchte Photodiode befand sich in der Mitte, wobei deren Position für einen Rasterscan in zwei Raumrichtungen präzise verfahren werden konnte. Der untere Teil von Abbildung 6.7 zeigt das Ergebnis eines Rasterscans, bei dem die Transmission einer Photodiode vom Typ Canberra PIPS 50-300 bei einer Photonenenergie von 30 keV ortsabhängig bestimmt wurde. Diese ist homogen im Bereich von ± 1 % auf der gesamten Oberfläche. Lediglich an den ringförmigen

Leitsilber-6.3 Homogenität der lokalen spektralen Empfindlichkeit und der Transmission

kontakten ist die Diode undurchlässig für die einfallende Strahlung. In Bezug auf homogene Transmission ist dieser Typ von Photodioden, der darüber hinaus eine homogene spektrale Empfindlichkeit besitzt, besonders gut zum Betrieb in Transmission zur Signalnormierung geeignet.