Pixeldetektoren

Pixeldetektoren sind Halbleiterdetektoren, die aus einer Matrix vieler kleiner Pixel bestehen. Jeder Pixel wandelt eingehende ionisierende Strahlung in eine elektrische Ladung um, deren Verteilung eine exakte räumliche Zuordnung des Ereignisses ermöglicht. Aufgrund ihrer hohen Auflösung finden sie breite Anwendung in der Spurverfolgung, Bildgebung und Spektroskopie.

Funktionsprinzip: Strahlung durchdringt das Detektormaterial und erzeugt Elektronen-Löcher-Paare. Ein äußeres elektrisches Feld sammelt die Ladung an die Pixelkontakte. Die Signale jeder Pixeladresse werden von einer Readout-Schaltung erfasst, verstärkt und verarbeitet; häufig werden Zeitstempel vergeben, um Ereignisse zeitlich zuordnen zu können. Je Pixel kann eine eigene Verstärkung, Speichereinheit und Logik integriert sein.

Architekturen: Es gibt hybride Pixeldetektoren, bei denen Sensor und Ausleseelektronik auf getrennten Siliziumchips sitzen und durch Bump-Bonding verbunden sind. Monolithische Pixeldetektoren integrieren Sensor und ASIC auf einem einzigen Chip (MAPS, DMAPS). Fortschritte in höherer Substrat-Härte und 3D-Technologien verbessern Rauschverhalten und Geschwindigkeit.

Materialien und Leistung: Hauptmaterial ist Silizium; für spezielle Anwendungen kommen auch andere Halbleiter zum Einsatz. Wichtige Leistungsmerkmale sind räumliche Auflösung (Pixelgröße), Detektionswirkungsgrad, Rauscharmut, Strahlungsresistenz und Lesegeschwindigkeit. Hybridpixel-Systeme liefern oft höhere Strahlungsfestigkeit, während monolithische Varianten kompakter und kostengünstiger sein können.

Anwendungen: In der Teilchenphysik finden Pixeldetektoren breite Anwendung, insbesondere bei Innenverfolgung in Kollidern. Weitere Einsatzfelder sind medizinische Bildgebung (Röntgen-/CT-Verfahren), Diagnostik, Spektroskopie und Astronomie.