Institut für Astronomie und Astrophysik Abteilung Astronomie Sand 1, D-72076 Tübingen, Germany

Dissertation Stephan Hermanutz

Entwicklung von Cs₂Te Photokathoden für UV-Detektoren

Summary.
Das Ziel vieler wissenschaftlicher Untersuchungen ist die Messung des Lichtspektrums eines astronomischen Objekts, um daraus Rückschlüsse auf seine chemische Komposition und makroskopische Eigenschaften wie Masse, Ausdehnung, Temperatur und Abstand zur Erde zu ermitteln. Für astronomische Beobachtungen im ultravioletten Bereich werden zudem Satelliten benötigt, da die Erdatmosphäre einen Großteil der auftreffenden Strahlung absorbiert. Am Institut für Astronomie und Astrophysik Tübingen (IAAT) wird daher basierend auf den Erfahrungen mit früheren Instrumenten, namentlich das Orbitale und Rückführbare Fern- und Extremultraviolett Spektrometer (ORFEUS) von 1990, ein photonenzählender, ortsauflösender Mikrokanalplattendetektor für den Einsatz in einem Spektrographen entwickelt. Diese Entwicklung wurde ursprünglich durch die potentielle Teilnahme an einem russisch-deutschen Gemeinschaftsprojekt, dem World Space Observatory (WSO/UV), angestoßen und wird seit 2013 durch das deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt als allgemeine Detektorentwicklung gefördert.
Wird ein Spektrograph eingesetzt, spaltet dieser das aufgefangene Licht entsprechend seiner Wellenlänge räumlich auf und leitet es auf den Detektor, der nur noch den Ort der auftreffenden Photonen messen muss. Unser Detektor besteht daher aus einer Photokathode, mehreren Mikrokanalplatten und einer Anode. Die Photokathode wandelt ein einzelnes auftreffendes Photon in ein Elektron um, das von den Mikrokanalplatten vervielfältigt wird, sodass eine Elektronenwolke auf die Anode trifft. Dort wird der Ladungsmittelpunkt der auftreffenden Ladungswolke bestimmt und daraus die Ursprungsposition des Photons errechnet und in Kombination mit dem Wissen um die Aufspaltung im Spektrographen ist damit die Wellenlänge des ursprünglichen Photons bekannt.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung der Photokathoden für den Detektor. Im Zuge dessen wurde ein neuer Versuchsaufbau in Betrieb genommen und für die Herstellung von Cäsiumtellurid-Photokathoden optimiert.
In der vorliegenden Arbeit werden im ersten Kapitel die Grundlagen von Detektoren für UV-Anwendungen mit Schwerpunkt auf den verwendeten Mikrokanalplattendetektoren beschrieben und die technischen Herausforderungen am Beispiel von ORFEUS und anderen UV-Instrumenten herausgearbeitet. Zusätzlich werden das Detektorkonzept, das am IAAT entwickelt wurde, sowie der aktuelle Stand der Entwicklung vorgestellt.
Im zweiten Kapitel wird ein Überblick über die theoretische Funktionsweise von Photokathoden geliefert, sowie exemplarisch an drei relevanten Materialien erörtert, die ebenfalls potentiell in unserem Detektor eingesetzt werden sollen. Der Schwerpunkt liegt auf den Eigenschaften von Cäsiumtellurid, da es als besonders zuverlässig gilt.
Im dritten Kapitel werden der vorhandene Versuchsaufbau im Detail beschrieben, sowie die Änderungen, Optimierungen und Probleme skizziert, die im Laufe der letzten vier Jahre auftraten. Anschließend werden mögliche Verbesserungen und Änderungen aufgezeigt, die in nächster Zeit implementiert werden sollen und eine weitere Verbesserung der Ergebnisse versprechen. Weiterhin werden die Versuche zu Germaniumschichten auf geschlossenen Anoden angesprochen und die technische Realisierung beschrieben.
Im vierten Kapitel wird der zeitliche Ablauf der Arbeit skizziert, die gefundene Standardprozedur zur Herstellung von Cäsiumtellurid-Photokathoden beschrieben und die dazu gehörigen Messergebnisse vorgestellt. Es werden die Versuche an kalten und warmen Substraten, sowie die neuesten Erkenntnisse von Photokathoden auf einer zusätzlichen leitenden Metallschicht vorgestellt.
Insgesamt wird mit dieser Arbeit die Grundlage für die Herstellung von Photokathoden für den Einsatz in unserem Detektor gelegt und deren Erfolg durch erste vielversprechende Proben belegt.
 

Online-Publikation: http://hdl.handle.net/10900/64323

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| Impressum Last modified 26 Feb 2016