Forschungsvorhaben
1) Ortsauflösender Faserdetektor für Röntgenstrahl-Kleinwinkelstreuung
Zweidimensionale ortsauflösende Detektoren für ionisierende Strahlung, speziell für Röntgenstrahlung und Synchrotronstrahlung, sind für eine Vielzahl von Messungen erforderlich. An sie werden spezielle Anforderungen hinsichtlich der Ortsauflösung, des dynamischen Bereiches, der Quanteneffektivität, der Zählrate und der Strahlungshärte gestellt. Die Güte eines solchen Detektors hängt nicht unwesentlich vom Design der nachfolgenden Ausleselektronik und der Abstimmung der einzelnen Komponenten aufeinander ab.
Die Zielfunktion des hier vorgestellten Vorhabens besteht in der Entwicklung eines funktionsfähigen ortsauflösenden Detektors auf der Basis des Szintillationseffektes mit folgenden angestrebten Spezifikationen :
Detektorspezifikationen für ortsauflösenden Detektor
Pixelgröße: (0.1...5) mm
Pixelanzahl: 512 x 512
Detektorgröße: (200 x 200) mm
Zeitauflösung: < 100 ms
Framerate: > 10 Frames/s
Zählrate/Pixel: 104 Photonen/s
Dynamik: 1...105 Photonen
Auslesemodus: Parallelauslese aller Pixel
Energiebereich: (3...20) keV
Detektormodus: ortsauflösend, Intensitätsmessung
Der Detektor soll für die Untersuchung von Prozessen der Röntgenstrahl-Kleinwinkelstreuung und der Umweltanalytik bis zu Energien von ca. 100 keV eingesetzt werden. Das in einer szintillierenden Matrix entstehende Licht wird optisch an eine backilluminierte CCD angekoppelt. Die Gestaltung dieses Prozesses und des Szintillators bestimmen im wesentlichen, neben der Elektronik und der Software, die erreichbare Auflösung. Zur Auslese der CCD wurde in der Programmiersprache DELPHI eine objektorentierte Oberfläche mit entsprechenden Bearbeitungsalgorithmen geschaffen.
Eine applikative Nutzung des Detektors in verschiedenen Bereichen ist vorgesehen. Ein funktionsfähiger Prototyp wurde erstellt.
Literatur :
R. Birks, " Theorie and Practice of Scintillation Counting", Oxford-Press
Pavan et al., NIM, A 327 (1993) 600-604;"Spatial resolution in X-ray imaging with scintillating glass optical fiber plates".
J. C. Dainty, R. Shaw; "Image Science", Academie Press 1974
A. D. Bross, A. Pla-Dalmau; "Radiation Damage of Plastic Scintillators", Fermilab-Pub-91/308
2) Untersuchungen zur Detektierung von ionisierender Störstrahlung mit Hilfe des photoakustischen Effektes
Der photoakustische Effekt wurde ca. 1870 durch W. C. Röntgen an Gasen nachgewiesen. In einem Experiment lies er Infrarotstrahlung durch ein an beiden Enden mit Steinsalzplatten verschlossenes Glasrohr fallen, das mit Gas gefüllt war. In Abhängigkeit von dem Einfall der Strahlung konnten Druckunterschiede im Gas beobachtet werden. Zur gleichen Zeit beobachtete A. G. Bell diese Erscheinung an Festkörpern. Der Effekt kann heute über die Wechselwirkung des Strahlungsfeldes mit den Atomen oder Molekülen der verwendeten Substanz geklärt werden.
Der photoakustische Effekt wird heute in vielfältiger Weise ausgenutzt, findet aber besondere Anwendung in der Umweltanalytik. Die Lichtabsorption ist von der Art des Gases und der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts abhängig. Auf diese Weise lassen sich Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung der Probe ziehen. Wo klassische Spektroskopiemethoden versagen, bildet die photoakustische Methode eine mögliche Alternative, so z. B. in der Umweltforschung , der Medizin und der Halbleitertechnik.
Der hier vorgelegte Vorschlag befaßt sich mit der Ausnutzung des photoakustischen Effektes an Festkörpern bei Anregung mit ionisierender Strahlung (Röntgenstrahlung, Teilchenstrahlung). Das theoretische Fundament hierfür liefert das thermoakustische Modell. Auf dieser Grundlage könnte ein neues Detektorprinzip zur Bewertung von ionisierender Strahlung, mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten (Messung von Störstrahlung, Komplettierung von Detektoren, Medizin und Umweltanalytik), geschaffen werden.
In einer ersten Stufe des Projektes soll das Meßprinzip getestet werden. Es sind unterschiedliche Festkörper, Geometrien und Anregungsformen wie Laserstrahlung, Partikelstrahlung und Röntgenstrahlung zu untersuchen. Ein Laserstrahl regt den Festkörper an und mit Hilfe von Sensoren, z. B. piezoelektrischer Keramik, wird die akustische Information gewandelt und elektronisch bzw. rechentechnisch weiterverarbeitet. Aufgrund der kleinen zu messenden Signale in einem hohem Rauschuntergrund sind hier spezielle Rechnungen und elektronische Entwicklungen nötig. In einer zweiten Stufe ist der konkrete Detektor zu entwickeln, einschließlich Untersuchungen im Rahmen der Umweltanalytik.
Die Untersuchungen werden im Rahmen von Diplomarbeiten und Projektarbeiten in Kooperation mit Partnern aus Forschung und Industrie durchgeführt. Abschließend soll erwähnt werden, daß dieses Thema zu interessanten applikativen Anwendungen führen kann und wissenschaftlich sehr stark interdisziplinär ausgelegt ist. Erste Messungen ergaben erfolgversprechende Resultate.
3) Entwicklung von Modellen zu ausgewählten optoelektronischen Bauelementen und die Simulation von Schaltungen der kernphysikalischen Elektronik mit dem Simulator PSPICE
Die Entwickler elektronischer Schaltungen in kleinen und mittleren Unternehmen sehen sich einem stetig wachsenden Konkurrenzdruck ausgesetzt. Das führt dazu, daß herkömmliche Methoden der Schaltungsentwicklung zugunsten von modernen Softwaretools immer mehr in den Hintergrund treten. Die Qualität der Simulation wird dabei ganz wesentlich von einer adäquaten Modellbildung abhängen. Hier besteht nun grundsätzlich Forschungs und Entwicklungsbedarf.
Entwicklungsziele:
Ziel des Vorhabens ist es für einige ausgewählte Bauelemente der Optoelektronik (z. B. PIN-Dioden) einfache Modelle zu erstellen, die bei der Entwicklung von optoelektronischen Applikationsschaltungen in die Simulation einbezogen werden können. Dabei ist im wesentlichen an 2 Beschreibungsmethoden gedacht:
1) Entwicklung von physikalisch-elektronischen Ersatzschaltbildern (PSPICE).
2) Mathematische Beschreibung der physikalisch-elektronischen Zusammenhänge.
Weiterhin sind entsprechende komplette Anwendungsschaltungen zu berechnen und zu simulieren. Der prinzipielle Aufbau einer kernphysikalischen Meßanordnung, besteht etwa aus PIN-Diode als Detektor, ladungsempfindlichen Verstärker als Vorverstärker, Gauss-Filterverstärker zur analogen Impulsformung und Digitalteil.
Die Modelle und Schaltungen sind über experimentelle Verfahren zu verifizieren und gegebenenfalls in der Simulation zu verändern. Das Ziel besteht darin, das Klemmenverhalten (speziell das Rauschverhalten) unter relevanten Bedingungen hinreichend genau zu beschreiben und entsprechende Fehlergrenzen aufzuzeigen.
Die Arbeiten sollen im wesentlichen in der Abteilung Gummersbach stattfinden. Verschiedene Kooperationspartner wie das DESY Hamburg und Industriefirmen werden einbezogen (Ressourcennutzung). Ein großer Teil der Untersuchungen soll über Diplomarbeiten durchgeführt werden. Hier ist auch insbesondere eine Auswirkung auf die Lehre zu erwarten. Ressourcen und Erfahrungen die im Arbeitskreis MOSAM der FH Köln existieren, sollen genutzt werden.
Herausragende Diplomarbeiten
Labor für Analog- und Optoelektronik (Prof. Dr. H. Bärwolff)
U. Fakesch, "Entwurf und rechentechnische Simulation von Eingangsstufen der Opto- und kernphysikalischen Elektronik"
G. Bußmann, "Optoelektronische Erfassung und Auswertung von Formteilen mit Methoden der Bildmustererkennung"
Schorn, Stiewe, "Entwicklung eines Transponderlesegerätes für große Abstände"
A. Weber, "Entwicklung eines Linear Keyers mit Amplitudenfehler-Detektor"