Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

34 KAPITEL 4. METHODEN ZUR STRAHLENHÄRTEUNTERSUCHUNG
4.1 Experimenteller Aufbau
4.1.1 Elektronik
Zur Messaufnahme wurde der am IPHC Straßburg entwickelte MAPS-Messstand im Technologielabor
des Institut für Kernphysik Frankfurt (IKF) verwendet. Die Messapparatur und
deren Funktion werden in Abbildung 4.1 schematisch veranschaulicht und in [C + 04] detailliert
beschrieben. Der den Sensor beinhaltende Chip wurde auf eine Testkarte (device testboard)
gebondet. Die Hauptaufgabe der Testkarte ist die Weiterleitung der Spannungen und Auslesesignale
sowie eine Rauschfilterung der Referenzspannungen. Zusätzlich ermöglichte die Testkarte
eine Handhabung, ohne den empfindlichen Chip zu berühren. Eine Hilfskarte (auxiliary board)
versorgte die Testkarte über ein Flachbandkabel mit den erforderlichen Spannungen und verband
sie weiterhin mit einer USB-Karte (imager board), welche als AD-Wandler und zur Erzeugung
der Kontrollsignale mit Hilfe eines FPGAs diente. Die USB-Karte konnte über eine Software
mit einem Standard-PC gesteuert werden. Mit dieser konnten die elektronischen Parameter der
Messung angepasst werden sowie die Datenspeicherung auf Festplatten durchgeführt werden.
Die anschließende Datenanalyse wurde mit Mathematica 5.1 durchgeführt.
4.1.2 Temperaturkontrolle
Die Testkarte konnte, durch ein Wärmeleitpad elektrisch isoliert, auf einen temperierten Metallblock
mit einer im Vergleich zur Testkarte und Chip großen Wärmekapazität aufgeschraubt
werden. Karte und Metallblock wurden in einer klimatisierten Dunkelkammer installiert, um
Lichteinfluss auf die Messung zu unterbinden. Die Temperatur in der Dunkelkammer wurde
mit einer Kühlvorrichtung kontrolliert. Ein Kühlsystem 1 ermöglichte es, eine Kühlflüssigkeit
auf eine Temperatur zwischen −75 ◦ C und +40 ◦ C einzustellen. Diese Kühlflüssigkeit wurde
in den Metallblock geleitet, der aufgrund seiner großen Wärmekapazität nur sehr langsam die
Kühlflüssigkeitstemperatur annahm. Entsprechend wurde die Kühlung des Chips verzögert.
Weiterhin erwärmte sich der Chip aufgrund seiner Leistungsaufnahme selbst. Diese Erwärmung
wird entsprechend ebenfalls gekühlt, so dass sich ein Gleichgewicht einstellt, welches reproduziert
werden muss. Aus diesem Grund wurden drei unterschiedliche Kühlprozeduren entwickelt.
So kann erstens bei jeder Messung gewartet werden, bis die Temperatur des Metallblocks
innerhalb von ±2 K mit der gewünschten Temperatur übereinstimmt. Dann wird die Messung
begonnen und Anfangs- und Endtemperatur der Messung notiert. Die genaue Kühlzeit wird
nicht berücksichtigt. Dies hat den Nachteil, dass die gemessene Temperatur unkontrolliert von
der eigentlichen Chiptemperatur abweicht, so dass die Temperaturmessung mit einer großen
Unsicherheit behaftet wird.
1 Nähere Informationen zum Kühlsystem Huber können [Sys10] entnommen werden.