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Untersuchung von Komponenten für einen nanodosimetrischen Teilchenspurdetektor

20.12.2019

Im Fachbereich Strahlenwirkung wird seit vielen Jahren Nanodosimetrie als Methode zur Etablierung einer physikalischen und metrologisch darstellbaren Messgröße für die Wirkung ionisierender Strahlung auf biologisches Gewebe betrieben. Die Messgröße wird durch die sogenannte Ionisationsclustergrößenverteilung repräsentiert, die derzeit durch das PTB–Nanodosimeter dargestellt wird [1]. Aufgrund der komplexen Topologie der DNS zeigen aktuelle Arbeiten auf dem Gebiet der Strahlenbiologie, dass die räumliche Korrelation solcher Clusterschäden im Bereich weniger Nanometer bis einige 10 Nanometer (nm) eine wesentliche Rolle spielt.

Um auch diese Korrelation metrologisch zu erfassen (und auch gleichzeitig die Empfindlichkeit durch ein wesentlich größeres Messvolumen zu erhöhen), wird ein sogenanntes Track–Imaging Nanodosimeter (TINA) entwickelt, welches die Größe und räumliche Verteilung von Ionisationsclustern, die sogenannte Spurstruktur mit einigen 10 nm Auflösung in einem kubischen Volumen von 200 nm bis 300 nm Kantenlänge messen kann. Dieses Instrument besteht aus einer gasgefüllten zylindrischen Zeitprojektionskammer (TPC), in der die Elektronen der Ionisationsspur eines durchfliegenden ionisierenden Teilchens in einem homogenen elektrischen Feld zu einer Gasverstärkerstruktur gedriftet und dort verstärkt werden. Danach können sie durch eine geeignete Ausleseelektronik erfasst und im Rechner weiterverarbeitet werden.

Abbildung 1 zeigt den Prototyp der TINA–TPC (noch ohne die endgültige Ausleseelektronik), wie er zur Optimierung der Verstärkerstrukturen aufgebaut wurde und derzeit untersucht wird. Als Verstärkerelement wurde ein mehrstufiger „Thick–GEM“ [2] hergestellt und in verschiedenen Konfigurationen getestet. Als Ausleseelektronik wurde das am NIKHEF in Amsterdam entwickelte SPIDR System mit dem Timepix 3 Sensor ausgewählt [3]. Es besteht neben dem Sensorkopf mit 4 im Quadrat angeordneten Timepix–ASICs aus einem schnellen digitalen Auslesesystem. Der Sensorkopf besteht aus einer Matrix von 512 x 512 ladungsempfindlichen Pixelelementen von je 55 μm Kantenlänge. Für jeden Ladungspuls wird für den/die betroffenen Pixel der Ort, die Ladungsmenge und der Zeitpunkt mit einer Auflösung von bis zu 1,6 ns registriert. Aus der Pixeladresse und der Zeitmessung kann der Entstehungsort der ursprünglichen Elementarladung in allen 3 Raumkoordinaten innerhalb der TPC bestimmt werden.

Abb. 1: Schematische Darstellung und Foto der TINA Zeitprojektionskammer. Hier noch ohne den für die dreidimensional ortsaufgelöste Auslese erforderlichen Timepix 3 Sensorchip, der später die im Schema eingezeichnete „Pickup–Elektrode“ ersetzt.

 Eine besondere Herausforderung bei diesem Detektorprinzip ist der hinreichende Schutz des teuren und sehr empfindlichen Timepix Sensors vor gelegentlichen elektrischen Durchschlägen in der Gasverstärkerstruktur. Dazu wurde die Methode der dielektrisch gequenchten Entladung untersucht, bei der der Auslesechip über eine sehr hochohmige Schicht vom sensitiven Volumen der TPC getrennt wird [4]. Elektrische Entladungen würden von der hochohmigen Schicht auf ein für den Timepix–ASIC ungefährliches Maß begrenzt. Ein ausreichend langzeitstabiles und hochspannungsfestes Material mit einem erforderlichen spezifischen Volumenwiderstand von 109 - 1011 Ω cm konnte aber nicht gefunden werden.

Parallel durchgeführte Test mit dem Timepix–ASIC zeigten, dass auch rein kapazitiv eingekoppelte (differenzierte) Ladungspulse von dem Chip registriert werden. Als Lösung wurde daher eine komplette galvanische Trennung zwischen der Gasverstärkerstruktur und dem Ladungspickup über den Timepix realisiert, wobei die Lokalisierbarkeit des kapazitiv eingekoppelten Signals über eine auf Hochspannung liegende resistive Anode mit einem spezifischen Flächenwiderstand von ca. 2 MΩ sichergestellt wurde [4]. Derzeit befindet sich die TPC in einem Langzeittest unter realistischen Betriebsparametern, nach dessen erfolgreicher Beendigung der Timepix 3 Ladungssensor eingebaut wird.

Literatur

(1)   V. Conte, A. Selva, P. Colautti, G. Hilgers, H. Rabus, Track structure characterization and its link to radiobiology, Radiation Measurements 106 (2017) 506

(2)   M. Cortesi et al, Multi-layer Thick Gas Electron Multiplier (M-THGEM): a new MPDG structure for high-gain operation at low-pressure; Review of Scientific Instruments 88, 013303 (2017)

(3)   B. v. d. Heijden, J. Visser, M. v. Beuzekom, H. Boterenbrood, S. Kulis, B. Munneke, F. Schreuder; SPIDR, a general-purpose readout system for pixel ASICs, Journal of Instrumentation 12 C02040 (2017)

(4)   F. Immel, Untersuchung von Signalverstärkerstrukturen und Entwicklung des Datenaufnahmesystems für einen nanodosimetrischen Teilchenspurdetektor Masterarbeit im Studiengang Elektrotechnik, angefertigt an der PTB und vorgelegt an der Fachhochschule Ostfalia, Wolfenbüttel, Mai 2019

(5)   V. Dangendorf et al; Detectors for time-of-flight fast-neutron radiography; Nucl. Instrum. and Methods A542 (2005) 197