Universität zu Köln

Bruyneel, Bart (2006). Characterization of Segmented Large Volume, High Purity Germanium Detectors. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Gamma ray tracking in future HPGe arrays like AGATA will rely on pulse shape analysis (PSA) of multiple Gamma interactions. For this purpose, a simple and fast procedure was developed which enabled the first full characterization of a segmented large volume HPGe detector. An analytical model for the hole mobility in a Ge crystal lattice was developed to describe the hole drift anisotropy with experimental velocity values along the crystal axis as parameters. The new model is based on the drifted Maxwellian hole distribution in Ge. It is verified by reproducing successfully experimental longitudinal hole anisotropy data. A comparison between electron and hole mobility shows large differences for the longitudinal and tangential velocity anisotropy as a function of the electrical field orientation. Measurements on a 12 fold segmented, n-type, large volume, irregular shaped HPGe detector were performed in order to determine the parameters of anisotropic mobility for electrons and holes as charge carriers created by gamma ray interactions. To characterize the electron mobility the complete outer detector surface was scanned in small steps employing photopeak interactions at 60keV. A precise measurement of the hole drift anisotropy was performed with 356keV rays. The drift velocity anisotropy and crystal geometry cause considerable rise time differences in pulse shapes depending on the position of the spatial charge carrier creation. Pulse shapes of direct and transient signals are reproduced by weighting potential calculations with high precision. The measured angular dependence of rise times is caused by the anisotropic mobility, crystal geometry, changing field strength and space charge effects. Preamplified signals were processed employing digital spectroscopy electronics. Response functions, crosstalk contributions and averaging procedures were taken into account implying novel methods due to the segmentation of the Ge-crystal and the digital electronics. The results are relevant for the future gamma ray tracking detectors where high precision of position information of single gamma ray interactions is required. The high accuracy in simulation enabled very high position resolution using PSA. The first application of this technique in a real experiment aimed at the correction for crystal bending imperfections in a Bragg-spectrometer. A position resolution of 1.4mm (sigma) was achieved with 184keV gamma rays employing the fully characterized detector. By careful characterization of the electronic noise, this result is expected to improve further upon use of optimized filters.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Charakterisierung segmentierter, großvolumiger, hochreiner Germaniumdetektoren German
Translated abstract:	Abstract Language In zukünftigen HPGe-Anordnungen wie AGATA wird die Spurenanalyse von Gammastrahlen auf der Pulsformanalyse für Mehrfachwechselwirkungen von Gammaquanten beruhen. Aus diesem Grunde wurde ein einfaches, zugleich aber schnelles Verfahren entwickelt, das erstmalig eine vollständige Charakterisierung segmentierter, großvolumiger HPGe-Detektoren ermöglicht. Es wurde ein analytisches Modell für die Löcherbeweglichkeit in einem Germaniumkristall entwickelt, um die Anisotropie der Löcherdrift mit experimentellen Geschwindigkeitswerten entlang der Kristallachse als Parametern zu beschreiben. Dieses neue Modell beruht auf der verschobenen Maxwellverteilung der Löcher im Germanium. Es konnte durch die erfolgreiche Reproduktion von experimentellen Ergebnissen der longitudinalen Löcheranisotropie verifiziert werden. Ein Vergleich der Elektronen- mit der Löcherbeweglichkeit zeigt große Unterschiede für longitudinale und tangentiale Geschwindigkeitsanisotropien als Funktion der Orientierung des elektrischen Feldes. Es wurden Messungen an einem 12-fach segmentierten, großvolumigen und ungleichmäßig geformten n-Typ HPGe-Detektor durchgeführt, um die Parameter für anisotrope Beweglichkeit für Elektronen und Löcher zu bestimmen. Um die Elektronenbeweglichkeit zu charakterisieren, wurde die gesamte äußere Oberfläche des Detektors in kleinen Schritten mit 60keV Gammaquanten gescannt, die durch den Photoeffekt wechselwirken. Eine präzise Messung der Löcherdriftanisotropie wurde mit 356keV-Quanten durchgeführt. Die Anisotropie in der Driftgeschwindigkeit und die Kristallgeometrie verursachen beträchtliche Unterschiede der Anstiegszeiten in der Pulsform abhängig von der Position der räumlichen Ladungsträgerbildung. Die Pulsform direkter und transienter Signale wird mit Hilfe von Berechnungen gewichteter Potentiale sehr präzise wiedergegeben. Die gemessene Winkelverteilung der Anstiegszeiten wird durch anisotrope Mobilität, Kristallgeometrie, wechselnde Feldstärken und Raumladungseffekte hervorgerufen. Die Vorverstärkersignale wurden mit digitaler Elektronik weiterverarbeitet. Übertragungsfunktionen, Crosstalk-Verteilungen und Mittelungsprozeduren wurden berücksichtigt, indem neuartige Methoden aufgrund der Segmentierung des Germanium-Kristalls und digitaler Elektronik einbezogen wurden. Diese Ergebnisse sind für zukünftige Detektoren zur Spurenanalyse der Gammastrahlen relevant, in denen eine sehr genaue Ortsinformation für einzelne Gammaquanten-wechselwirkungen benötigt wird. Die hohe Genauigkeit der Simulation ermöglicht mit hilfe der Pulsformanalyse eine sehr gute Ortsauflösung. Das Ziel der ersten Anwendung dieses Verfahrens in einem Experiment war die Korrektur von Fehlstellen der Kristall-Krümmung in einem Bragg-Spektrometer. Am vollständig charakterisierten Detektor wurde mit Gammaquanten der Energie E=184keV eine Ortsauflösung von 1.4mm (sigma) erzielt. Sorgfältige Untersuchungen des elektronischen Rauschens lassen erwarten, dass dieses Ergebnis durch optimierte Filter noch stark verbessert werden kann. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Bruyneel, Bart bart.bruyneel@ikp.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-18584
Date:	2006
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Nuclear Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language gamma ray instruments , position-sensitive germanium detectors , pulse shape analysis , anisotropic mobility English
Date of oral exam:	31 May 2006
Referee:	Name Academic Title Reiter, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1858