MPE Jahresbericht 2003 / MPE Annual Report 2003

3.    Experimentelle Entwicklung und Projekte /
   Experimental Development and Projects

3.7.1   Komplexitätsanalyse / Complexity Analysis

Die Arbeitsgruppe „Komplexe Systeme“ beschäftigt sich mit der Entwicklung und dem Transfer wissenschaftlicher Datenanalyseverfahren in interdiszipli­nä­ren Wissenschaftsprojekten. Die Methoden basieren insbesondere auf Elementen der nichtlinearen Datenanalyse, der Graphentheorie und der Informationstheorie.

The “complex systems” group works on the development and transfer of advanced data analysis methods in interdisciplinary scientific projects. The methods are based in particular on elements of nonlinear data analysis, of graph theory and information theory.

Abb. 3-22: Links: Vergleich von äolischem und aquatischem Quarzsand. (a,d,g) AFM Bilder eines Sandkorns typisch für aquatischen (a, d) und äolischen Transport (g). (c, f, g) Kantendetektion in den AFM-Bildern, (b, e, h) Verteilung der linearen Segmente. Rechts: Minimal aufspannender Baum der Ähnlichkeiten der 129 Messdaten aller 51 Proben. Der Grad der Ähnlichkeit zweier Messungen wird durch die Länge der Verbindungslinie angegeben. Der positiv-prädiktive Wert (PPV) für Wassertransport in jedem Bereich ist in Prozent angegeben.

Fig. 3-22: Left: Comparison of eolian and aquatic quartz sand. (a,d,g) AFM images of a sand grain typical for aquatic (a, d) and aeolian transport (g). (c, f, g) Edge detection of the AFM images, (b, e, h) Distribution of linear segments. Right: Minimal spanning tree showing the similarity of 129 measurements taken on all 51 specimens. The degree of affinity of two measurements is indicated by the length of the connecting line. The positive predictive value (PPV) for water transport in each portion of the trees is given in percent.

In den folgenden Abschnitten werden einige Beispiele der interdisziplinären Zusammenarbeiten vorgestellt, die sich von der zukünftigen Suche nach Wasser auf dem Mars (mit Geologen) bis hin zur Bewertung von Osteoporose (mit Medizinern) erstrecken. Parallel zu diesen konkreten Anwendungen wurden im Bereich der Datenanalyse die Methoden weiterentwickelt, so der Einsatz evolutionärer Strategien z.B. für die Teilchenverfolgung in Plasmakristallexperimenten oder die Entwicklung von Konzepten zur Partitionierung multivariater Zustandsräume. Ein anderes Beispiel ist die Analyse von Fourier-Phasen, die verschiedene Möglichkeiten eröffnet, Daten zu charakterisieren und nicht-lineare Korrelationen zu entdecken. Diese Technik wurde auf Fragestellungen in der Kosmologie angewandt und auf die Zeitreihenanalyse von Börsendaten übertragen.

In the following sections some examples of interdisciplinary cooperations are given that extend from the future search for water on Mars (together with geologists) to the assessment of osteoporosis (together with clinicians). Parallel to these applications further developments have been made in the field of data analysis, for example in particle tracking problems using evolutionary strategies or in partitioning concepts of multivariate state spaces. Another example is the analysis of the Fourier phases, that offers various possibilities to learn more about the data sets and to detect possible nonlinear correlations. It has been applied to problems in cosmology and transferred to the time series analysis in stock rates.

Auf der Suche nach wasserhaltigen Standorten auf dem Mars steht der direkte Beweis für ehemaliges fließendes Wasser noch aus, obwohl durch Fernerkundung Hinweise auf junge Flusslandschaften geliefert wurden. In Zusammenarbeit mit dem Department für Geo- und Umweltwissenschaften der Universität München wurde ein Klassifikationsschema entwickelt, mit dem zwischen äolischem und aquatischem Transport in sedimentären Lagerstätten auf der Erde unterschieden werden kann. Die Oberflächen von natürlichen Quarzkörnern sowie von Olivin, Feldspat, Pyroxen und Monazit-Sanden von bekanntem terrestrischem Ursprung wurden mit dem Kraft-Mikroskop (AFM) abgebildet. Eine vollständig automatische Analyse der strukturellen Elemente der Oberfläche zeigt, dass windtransportierte Körner kurze lineare Segmente besitzen, die irregulär auf der Oberfläche verteilt sind, während die linearen Segmente von wasser-transportierten Körnern länger sind und Orientierungen besitzen, die die Mineral-Symmetrie widerspiegeln (Abb. 3-22, links).

In the search for aqueous habitats on Mars direct proof for (ancient) flowing water is still lacking although remote sensing has provided indications for young fluvial systems. In collaboration with the Department for Geo- and Environmental-Sciences of the University Munich a classification scheme to distinguish between aeolian and aquatic transport in sedimentary deposits on Earth has been developed. The surfaces of natural quartz grains as well as olivine, feldspar, pyroxene, and monazite sands of known terrestrial origin have been imaged with the atomic force microscope (AFM). A fully automated analysis of the structural elements that build up the grain surfaces shows that wind transported grains have linear segments that are short and distributed irregularly on the surface whereas the linear segments of water transported grains are longer with orientations that reflect the mineral symmetry (Fig. 3-22, left).

Da die Oberflächenstrukturen, die man auf aquatischen Körnern findet, durch anisotrope Ätzung entstanden sind, können sie als diagnostische Fingerabdrücke für die Existenz eines heutigen oder vergangenen aquatischen Transportsystems benutzt werden. Kreuz-Korrelations-Abstände der Verteilungsmuster der Strukturen der Sandkörner wurden dazu benutzt, einen minimal aufspannenden Baum zu erzeugen, der die Beziehungen der verschiedenen auf der Erde gefundenen Sedimente wiedergibt (Abb. 3‑22, rechts). Da Feldspat und Olivin-Sande sogar noch besser zur Diskriminierung geeignet sind als Quarz-Körner, ist die Anwendung der Methode auf zukünftigen Mars-Missionen vielversprechend.

Because the surface patterns found on aqueous grains are due to anisotropic etching, they can be used as diagnostic fingerprints for the existence of aqueous transport systems in present or past. Cross-correlation-distances of distribution patterns in the structures of sand grains have been used to build a minimal spanning tree, which reflects the relationship of the various sediments found on earth (Fig. 3-22, right). Since feldspar and olivine sands contribute even more to the discrimination than quartz grains, the method is promising for its application on future Mars missions.

Der sogenannte Duffing-Oszillator ist ein herausragendes Beispiel für chaotische Dynamik. Die Dynamik einer AFM-Spitze kann durch einen Duffing-Oszillator idealisiert werden und wird durch komplexe Dynamik beherrscht. In Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Biochemie und dem Department für Geo- und Umweltwissenschaften der Ludwig-Maximilians-Universität München wurden Experimente durchgeführt, um den Übergang zum chaotischen Verhalten eines AFM zu untersuchen. Um ein komplexes System zu charakterisieren, kann die so genannte Korrelationsdimension benutzt werden. Sie beschreibt die Dimensionalität einer eingebetteten Trajektorie in einem Phasenraum und ist eng mit dem Skalierungsindex verwandt. Innerhalb des regulären Regimes besitzt das System eine Korrleationsdimension nahe eins, während es im chaotischen Bereich Werte größer zwei zeigt (Abb. 3-23).

The so called Duffing Oscillator is a prominent example exhibiting chaotic dynamics. The dynamics of an AFM-tip can be idealized as a Duffing Oscillator and is governed by very complex dynamics. In collaboration with the Max-Planck-Institut für Biochemie and the Department for Geo- and Environmental-Sciences of the Ludwig-Maximilians-Universität München experiments have been conducted in order to explore the route to chaotic behaviour in the AFM. In order to characterize a complex system, the so-called correlation dimension can be used. It serves as a dimensionality measure for an embedded trajectory in phase space and is closely related to the scaling indices. Within the regular regime the system has a correlation dimension near unity while in the chaotic region values beyond 2 are obtained (Fig. 3-23).

In vielen Anwendungen haben sich Verfahren bewährt, die durch Vorbilder aus der Natur motiviert sind wie beispielsweise künstliche neuronale Netze. So werden biologische Phänomene wie Mutation, genetische Rekombination und Selektion in sogenannten evolutionären Strategien verwendet, um komplexe Optimierungsprobleme zu lösen. Dazu wird ein Pool von „Individuen“ erzeugt, von denen jedes eine mögliche Lösung des Problems darstellt. In jedem Iterationsschritt werden aus dieser Elterngeneration durch Rekombination und Mutation Nachkommen erzeugt. Die Güte der Problemlösung durch ein Individuum wird mit einer Fitnessfunktion bewertet. Ein Selektionsmechanismus garantiert, dass nur die fittesten Individuen (d.h. die besten Problemlösungen) die nächste Iteration erreichen. Diese Methode stellt somit eine interessante Alternative zu anderen Verfahren wie beispielsweise simuliertes Tempern dar.

Methods that are motivated by nature have been applied successfully in many tasks, like e.g. artificial neural networks. Biological phenomena such as mutation, genetic recombination and selection are imitated in so-called evolutionary strategies in order to solve complex optimisation problems. For that purpose a pool of “individuals” is generated, of which each represents a possible solution. In each iteration step, descendents are created based on this parent generation by recombination and mutation. The quality of a solution by an individual is evaluated with a fitness function. A selection mechanism guarantees that only the fittest individuals (i.e. the best solutions of the problem) attain the next iteration. Thus evolutionary strategies are an interesting alternative to other optimisation procedures as for example simulated annealing.

Abb. 3-23: 3D-Einbettungen der Amplitudendaten eines AFM mit Hilfe von Delay-Koordinaten für abnehmenden Spitze-Proben-Abstand. Der Skalierungsindex ist als Farbcode gezeigt, wobei blau, kleine Werte nahe eins beschreibt (reguläre Moden) und rot, Werte nahe zwei und höher (in der Nähe von chaotischen Fenstern). Ein auffälliges Merkmal ist die Periodenverdoppelung zwischen 70 und 76 ms.

Fig. 3-23: 3D-embeddings of the amplitude data of an AFM using delay coordinates for decreasing tip-sample distance. The scaling index is shown as colour code where blue denotes small values near one (regular modes) and red denotes large values near two and higher (close to chaotic windows). A very prominent feature is the period doubling in the range between 70 and 76 ms.

Ein typisches Problem ist die Identifizierung der Trajektorien sich bewegender Objekte (particle tracking). Es wurde untersucht, ob sich evolutionäre Strategien zum particle tracking bei Plasmakristall-Experimenten eignen. Ein Individuum im Sinne der evolutionären Strategien ist dabei eine Menge von Pfaden. Jeder dieser Pfade verbindet ein Partikel in aufeinander folgenden Zeitschritten. In numerischen Experimenten konnten damit gute Ergebnisse erzielt werden. Problematisch erscheinen allerdings die Vielzahl freier Parameter und die damit verbundene hohe Rechenzeit. Um die Dimensionalität des Problems zu verringern, ist es notwendig, kompaktere Beschreibungen der Individuen zu formulieren. Durch Parallelisierung der Algorithmen kann dann die Rechenzeit erheblich reduziert werden.

A typical problem is the identification of the trajectories of moving objects (particle tracking). It was examined whether evolutionary strategies are suitable to particle tracking in the analysis of the plasma crystal experiments. An individual in the sense of the evolutionary strategies is thereby a set of paths. Each of these paths connects a particle in successive time steps. In numeric experiments good results could be obtained. However the multiplicity of free parameters appears problematic because of the high computation time needed. In order to reduce the dimensionality of the problem, a more compact description of the individuals is necessary. The computation time can substantially be reduced by parallelisation of the algorithms.

Die Studien zur Analyse von Knochenstrukturen, auf der Basis von tomographischen bildgebenden Verfahren dienen der Verbesserung der Diagnose von Osteoporose sowie des damit einhergehenden Risikos für Knochenbrüche. Sie wurden in Rahmen eines sog. Tandem-Projektes der MPG in Zusammenarbeit mit dem Institut für Röntgendiagnostik der Technischen Universität München durchgeführt. Osteoporose lässt sich sowohl durch den Verlust von Knochendichte (bone mineral density BMD) als auch die strukturelle Zerstörung von Knochengewebe charakterisieren

Our studies concerning the analysis of bone structures as displayed in tomographic images improve the assessment of osteoporosis and the risk of fractures. These studies were conducted within the framework of a so-called tandem-project in collaboration with the Institute of Radiology of the Technical University of Munich. Osteoporosis is characterised by low bone mass (bone mineral density BMD) and structural deterioration of bone tissue.

 

Wir benutzten Minkowski-Funktionale und Schätzer für lokale Skalierungseigenschaften der Daten, um die Mikroarchitektur der Knochen zu beschreiben. Es wurde gezeigt, dass es sowohl für gesunde als auch für osteoporotische Knochenstrukturen durch Anwendung von Verfahren des simulierten Temperns möglich ist, Ersatzdaten (sog. Surrogate) zu erzeugen (Abb. 3-24), bei denen die Minkowski-Funktionale mit denen der Originaldaten übereinstimmen. Mit Hilfe der Skalierungsindexmethode war jedoch eine klare Unterscheidung zwischen Original- und Surrogatdaten möglich. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Minkowki-Funktionale und die Skalierungsindizes eine komplementäre Beschreibung der Daten liefern.

We used Minkowski-functionals and estimators for the local scaling properties of the data to quantify the microarchitecture of the bones. It was shown that for both healthy and osteoporotic bones, the generation of surrogates, which preserve the Minkowski functionals, is possible by applying simulated annealing (Fig. 3‑24). By applying the scaling-index-method a discrimination between the original data and surrogates was possible indicating that the Minkowski functionals and the scaling indices complement each other.

 

Abb. 3-24: Bild einer Knochenstruktur, wie sie sich mit Kernspintomographie darstellt (unten links) und drei dazugehörige Surrogatbilder mit gleichen Minkowski-Funktionalen. Mit bloßem Auge ist eine klare Trennung zwischen Original und Surrogaten möglich. Die Skalierungsindizes sind auf diese Unterschiede sensitiv.

Fig. 3-24: Image of bone structure as obtained with MR imaging (lower left) and three corresponding surrogates preserving the Minkowski-functionals. By eye-inspection a clear discrimination is possible. The scaling indices can account for these differences.

In mehreren in vitro und in vivo Studien untersuchten wir die Korrelation von Strukturmaßen mit makroskopischen biomechanischen Eigenschaften (z.B. maximale Druckfestigkeit) und dem Frak­turrisiko. Es konnte gezeigt werden, dass in allen Fällen die Strukturmaße wesentlich besser mit den makroskopischen Größen korrelieren als die Knochendichte (BMD).

In various in vitro and in vivo studies we investigated the correlation of structure measures with macroscopic biomechanical properties (e.g. maximal compressive strength) and the risk of fractures. It could be shown that in all cases the structure measures correlated much better with the macroscopic bone quantities than the bone density (BMD).

Für ausgewählte Studien wurden die Ergebnisse validiert. Dabei konnten wir durch die Anwendung von sog. Bootstrap- und Jackknife-Techniken zeigen, dass der (Bootstrap-) Fehler für die Unterscheidungsstärke bei der Verwendung von konventionellen Beschreibungsmethoden doppelt so groß ist wie bei Verwendung von Strukturmaßen. Dies zeigt, dass die neu entwickelten Strukturmaße nicht nur hinsichtlich ihrer Diskriminierungsstärke sondern auch in ihrer statistischen Stabilität erheblich verbesserte Resultate liefern.

The results for some of our studies were validated. By applying bootstrap- and jacknife-resampling methods we could show that the (bootstrap-) error of the discrimination power is twice as large for conventional measures characterizing the bone density as for our nonlinear measure, which quantifies the trabecular bone structure. These results show that the structure measures not only have a better predictive power but also yield statistically more stable results.

 

3.7.2   Wissenstransfer aus dem Fertigungsbereich /
Know-How Transfer from the MPI Semiconductor Laboratory to Industry

Das Halbleiterlabor (MPI-HLL) des Max-Planck-In­sti­tuts für extraterrestrische Physik und des Max-Planck-Instituts für Physik besteht in seiner jetzigen Form seit 1991. Seine zentralen Aufgaben sind Entwicklung und Fertigung von Halbleiterdetektoren für die Röntgenastronomie und für die Hochenergiephysik.

The semiconductor laboratory (MPI-HLL) of the “Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik” and “Max-Planck-Institut für Physik” exists in its present form since 1991. Its main task is the development and production of semiconductor detectors for X-ray astronomy and high energy physics.

Die vor uns liegenden Hauptprojekte aus dem Bereich der Röntgenastronomie sind die Missionen DUO, ROSITA und XEUS. Für zeitlich hoch aufgelöste Messungen im optischen Wellenlängenbereich (zur Korrelation mit Röntgen- und Gammabeobachtungen) entwickeln wir zur Zeit eine Hochgeschwindigkeitskamera für den optischen und nahen Infrarotbereich (HTRA, High Time Resolution Astrophysics). Kleinere Studien wurden für die Missionen SIMBOL-X und ECLAIR gemacht, sowie für einen schnellen Röntgenphotonenzähler für die XEUS Mission.

The main future projects in X-ray astronomy are the missions DUO, ROSITA and XEUS. For highly time resolved measurement in the optical to correlate to X-ray and Gamma ray observations we currently develop a high speed camera for the optical and near infrared wavelengths (HTRA, High Time Resolution Astrophysics). Special studies have been performed for the potential missions SIMBOL-X and ECLAIR and for a high speed spectroscopic X-ray counter for the XEUS mission.

Gemeinsam mit dem MPI für Physik sind wir an dem CAST Experiment am CERN beteiligt, um mit Hilfe eines supraleitenden Magneten (9 Tesla) solare Axionen nachzuweisen. Die Hauptentwicklungsprojekte des MPI für Physik sind die dünnen aktiven Pixel Sensoren (DEPFETs) für den zukünftigen Linearcollider TESLA zur präzisen Spurvermessung, Röntgendetektoren für Vorversuche zu einem Myonenbeschleuniger-Projekt und Avalanche-Detektoren für die EUSO Mission auf der internationalen Raumstation ISS.

With the “MPI für Physik”, we share the participation in the CAST (CERN Axion Search Telescope) experiment. It is developed to search for solar axions by using a superconducting magnet (9 Tesla). The main projects of the “MPI für Physik” are: (1) the development of thin active pixel sensors (DEPFETs) for the future linear collider TESLA to precisely measure particle tracks, (2) X-ray detectors for studies towards a muon particle accelerator, and (3) avalanche detectors for the EUSO mission aboard the International Space Station ISS.

Neben diesen beiden Hauptlinien der beiden Institute, sorgt die Firma PNSensor, die auch federführend bei den Institutsprojekten mitarbeitet, für die wirtschaftliche Verwertung der im MPI-HLL entwickelten Detektorsysteme. Im folgenden soll der Spin-off für kommerzielle Anwendungen anhand ausgewählter Projekte dargestellt werden:

Beside those two major interests of the institutes, the company PNSensor, which has a leading role on the scientific research projects of the MPI-HLL, aims for a commercialization of the developed detector systems. In the following sections, the spin-off towards commercial applications will be reported:

Siliziumdriftdetektoren (SDDs) für kompakte, schnelle, hochauflösende Röntgendetektion /
Silicon Drift Detectors (SDDs) for compact, fast, and high resolution X-ray detection

Derzeit arbeiten weltweit etwa 3000 Systeme, die hauptsächlich in der Röntgenfluoreszenzanalyse eingesetzt werden. Die im MPI-HLL gefertigten Chips werden von OEM Partnerfirmen zu Modulen und schließlich in komplexe Endgeräte integriert. Einige Innovationen der letzten Zeit sollen kurz dargestellt werden.

About 3000 systems, doing mainly X-ray fluorescence analysis are operating worldwide to date. The chips, manufactured at the MPI-HLL are integrated into more complex environments by additional OEM partners from industry. Some of the more recent innovations will be described in more detail.

Abb. 3-25: Siliziumdriftdetektoren in „Tropfenform“ mit sensitiven Flächen von 5 mm2 und 10 mm2. Der On-Chip Verstärker liegt außerhalb der sensitiven Fläche und trägt deshalb nicht zur Verschlechterung des Spektrums durch unerwünschten Hintergrund bei.

Fig. 3-25: Silicon drift detectors in a droplet geometry with sensitive areas of 5 mm2 and 10 mm2. The on-chip amplifier is located outside the sensitive area and therefore does not contribute to the degradation of the energy spectrum due to background events.

(1) Tropfenförmige SDDs: Durch ihre spezielle Form, die durch die Integration der On-Chip Verstärker außerhalb der röntgensensitiven Fläche begründet ist, gelingt es fast „hintergrundfreie“ Spektren zu messen (Abb. 3-25). Dies hat zur Folge, dass Konzentrationen von Elementen gemessen werden können, die bis zu einem Faktor 10000 weniger oft in der Probe vorkommen als ihr Hauptbestandteil. Die Energieauflösung dieser Detektoren ist bereits bei Temperaturen von -10o C mit der von kryogenischen Halbleiterdetektoren vergleichbar und dies bei einer um den Faktor 10 kürzeren Signalverarbeitungszeit (Abb. 3-26). (OEM Partner: PNSensor, KETEK, RÖNTEC, PGT, EDAX).

(1) SDD Droplets (SD3): Due to its special shape, the integration of the on-chip amplifier is outside of the X-ray sensitive area (Fig. 3‑25), almost “background free” spectra can be measured. Therefore the concentrations of elements can be measured, which are up to a factor of 10000 less frequent than the main constituents of the sample to be analysed. The energy resolution of the SD3 detectors at temperatures around - 10o C is already as good as the resolution of cryogenic semiconductor detectors, and the signal processing time of the SD3 detectors is a factor of 10 shorter (Fig. 3-26). (OEM partners: PNSensor, KETEK, RÖNTEC, PGT, EDAX).

Abb. 3-26: Röntgenspektrum der Mn-Kα und Mn-Kβ Linie einer 55Fe - Quelle. Die volle Halbwertsbreite beträgt 125 eV (FWHM) bei einer Betriebstemperatur von -10o C und ist damit bei einer 10-fach höheren Zählrate bereits den, bisher am häufigsten benutzten, Si(Li) Detektoren überlegen.

Fig. 3-26: X-ray spectrum of the Mn-Kα and Mn-Kβ line of an 55Fe - source. The full width at half maximum is 125 eV (FWHM) at an operating temperature of -10 o C and at a 10 times higher count rate - therefore silicon drift detectors are already superior compared to the still popular Si(Li) detectors.

(2) Großflächige SDDs: Viele Kunden benötigen eine Kombination aus großer sensitiver Fläche und schneller Signalverarbeitung. Eine gute Raumwinkelabdeckung hilft Messzeit sparen und damit Kosten reduzieren. Deshalb haben wir SDDs statt mit einer Fläche von 5 mm2 auch mit einer sensitiven Fläche von 10 mm2, 20 mm2, 30 mm2 (Abb. 3-27) oder gar 100 mm2 ausgestattet. Die größere Fläche führt zu einem leicht erhöhten thermisch generierten Leckstrom, den man allerdings durch moderate Kühlung, z.B. mithilfe eines Peltier-Elementes kompensieren kann. 10 mm2 große Detektoren dieses Typs werden derzeit auf den beiden Rovern Spirit und Opportunity der aktuellen NASA Marsmission eingesetzt. (PI: MPI für Chemie, Mainz, OEM Partner KETEK, Oberschleißheim).

(2) Large area SDDs: Many customers need a combination of large sensitive area and fast signal processing. Good solid angle coverage saves measurement time and therefore reduces costs. SDDs with sensitive areas as large as 20 mm2, 30 mm2 (Fig. 3-27) and even 100 mm2 have been developed. The larger sensitive area leads to an increased leakage current due to thermal generation of charge carriers. By a thermoelectric cooler (Peltier element) the operating temperature can be lowered moderately, and subsequently the leakage current be reduced. 10 mm2 large detectors of that type are actually being operated on the rovers Spirit and Opportunity on the NASA Mars exploration mission (PI: MPI für Chemie, Mainz, OEM Partner KETEK, Oberschleißheim).

Abb. 3-27: Siliziumdriftdetektoren verschiedener sensitiver Flächen zum Einsatz in der Röntgenfluoreszenz­analyse (RFA).

Fig. 3-27: Silicon drift detectors with different sensitive areas to be used in X-ray fluorescence analysis (XRF).

(3) Felder von Siliziumdriftdetektoren für Gammastrahlung: Werden SDDs an Szintillationskristalle gekoppelt, so kann man mit ihnen, das von der Strahlung im Szintillator erzeugte Licht auslesen. Die Lichtmenge ist proportional zur Energie der einfallenden Strahlung und die Lichtverteilung lässt auf den Einfallsort der Strahlung schließen. Grob segmentierte SDD-Felder meistern mit relativ kleinem elektronischem Aufwand die Aufgabe, gleichzeitig die Energie und die Position der einfallenden Gammastrahlung zu messen. Für die medizinische Diagnostik wird derzeit ein System aufgebaut, welches aus 77 Einzelzellen besteht. Damit kann eine kollimatorlose Gammakamera für onkologische Untersuchungen gebaut werden, die eine Ortsauflösung von etwa 0.5 mm hat. (Projektpartner: PNSensor, Politecnico di Milano, INFN).

(3) Silicon Drift Detector Arrays for Gamma-ray Detection: If coupled to scintillating crystals, SDDs are capable to detect the light of the scintillator, generated by the incident radiation. The amount of light is proportional to the energy of the impinging radiation and the spatial light distribution allows to positionally locate the radiation. A coarse segmentation of the SDDs of the order of tens of mm2 results in a sub mm spatial resolution of e.g. Gamma rays. The electronic effort is relatively small. For medical applications a system is actually being set up, which consist of 77 individual SDDs. A collimatorless Gamma camera for oncological diagnosis can be build that way, having a position accuracy of about 0.5 mm. (Project partner: PNSensor, Politecnico di Milano, INFN).

(4) Mikroelektronik für Vielkanal-SDD Systeme: Im Rahmen des DLR First-Chance Programms haben wir mikroelektronische Signalprozessoren mit zeitkontinuierlichen Filtern, gemeinsam mit dem Ingenieurbüro Buttler, entwickelt. Sie ermöglichen die Auslese von bis zu 8 SDD Kanälen mit spektroskopischer Qualität. Für uns heißt dies, dass die Energieauflösung für Röntgenstrahlung bei 6 keV und bei -10° C besser als 150 eV (FWHM) sein muss. Prototypen dieser ASIC-Chips werden derzeit im MPI-HLL qualifiziert. Ziel dieser Studie ist es, Prototypen dieser analogen Verstärkermodule kommerziell verfügbar zu machen. Die Kosten pro Auslesekanal betragen bei der Fertigung mittlerer Stückzahlen lediglich wenige Euro.

(4) Microelectronics for multichannel SDD systems: Within the First-Chance Programme of the German DLR, we have developed in collaboration with the engineering company Buttler, microelectronical signal processors with time continuous filters. They are capable to read-out in parallel 8 separate channels in spectroscopic quality. This means, that the energy resolution at 6 keV and at -10° C has to be better than 150 eV (FWHM). Prototypes of those ASIC chips are currently tested and integrated in a spectroscopic detector system. The aim of this study is to provide detector systems for commercial applications. The cost per readout channel for moderate quantities is just a couple of Euros.

Abb. 3-28: Röntgenspektroskopische Bild eines Salamanders. Dieses Bild wurde mit einer Wiederholrate von 100.000 Bildern pro Sekunde am Synchrotron in Trieste von Mitarbeitern des Politecnico di Milano (A. Castoldi, C. Guazzoni) aufgenommen. Der hier verwendete kontrollierte CDD wurde gemeinsam von der Politecnico di Milano, BNL (USA) und der MPG patentiert.

Fig. 3-28: X-ray image of a lizard. The repetition rate was 100.000 images per second, taken at the synchrotron in Trieste by researchersof the Politecnico di Milano (A. Castoldi and C. Guazzoni). The used CDD was patented jointly by Politecnico di Milano, BNL (USA) and MPG.

(5) Kontrollierte Siliziumdriftdetektoren (CDDs): Ge­meinsam mit den Universitäten Siegen, Erlangen, Rom, Mailand und London, sowie den Firmen Ortec und Siemens haben wir auf der Basis von kontrollierten SDDs mit der Entwicklung einer Compton-Kamera begonnen. Durch die präzise örtliche Vermessung des Compton-Vertex, der Energie und der Impulse der beteiligten Stosspartner, lässt sich die Einfallsrichtung des primären Gamma-Quants genau bestimmen. Bei der Wahl geeigneter geometrischer Parameter kann der Ursprung der Strahlung auf einige Hundert Mikrometer genau bestimmt werden, wiederum ohne Strahlung absorbierende Kollimatoren zu verwenden. Der kontrollierte Siliziumdriftdetektor dient bei dieser Anwendung als Streudetektor, der Absorptionsdetektor für das gestreute Gammaquant wird voraussichtlich ein Szintillationszähler mit Photomultiplierauslese werden. Ein Anwendungsbeispiel ist in Abb. 3-28 gezeigt. (Partner: siehe oben.)

(5) Controlled Silicon Drift detectors (CDDs): In collaboration with the universities of Siegen, Erlangen, Rome, Milano and London as well as companies like Ortec, SIEMENS and PNSensors, we have started to develop a Compton camera for medical applications, on the basis of the controlled drift detectors. Via precise vertex reconstruction and the energy and momentum measurement of the related collision partners, the direction of the incident Gamma-ray can be reconstructed. Choosing adequate geometrical parameters, the origin of the primary radiation can be determined within a few hundreds of µm, again without using radiation absorbing collimators. The controlled drift detector serves in this application as the primary scattering detector. The second absorption detector will be most probably a scintillation counter. An application example is shown in Fig. 3-28. (Partners: see above.)

Röntgen - CCDs für die Hochgeschindigkeitsphotographie / X-ray CCDs for high speed photography

Zunächst für die Röntgenastronomie entwickelt, werden heute die rückseitig beleuchteten pn-CCDs in vielen Experimenten der Grundlagenforschung eingesetzt. In letzter Zeit kommen aber auch Anwendungen in der optischen und nahen Infrarotastronomie hinzu. In der zeitlich hochaufgelösten optischen (und nahen IR) Astronomie sollen zum Studium transienter Phänomene bis zu 1500 Bilder pro Sekunde genommen werden, bei einem Format der CCDs von 256 x 256 Bildzellen, (Pixel = picture cell oder picture element) . Gleichzeitig darf das elektronische Rauschen aber 3 Elektronen (rms) nicht übersteigen. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit bis zu Wellenlängen von etwa 1.2 µm wird ein sensitives Volumen mit einer Dicke von etwa 0.5 mm benötigt, ebenso wie ein „antireflective coating“, um die Reflektion des einfallenden Lichtes an der Detektoroberfläche zu verringern. All diese Eigenschaften lassen sich mit den pn-CCDs ideal verwirklichen. Für die Europäische Südsternwarte (ESO) entwickeln wir derzeit ein pnCCD - System, welches in der adaptiven Optik ihrer Teleskope eingesetzt werden soll. Bei erfolgreicher Inbetriebnahme in etwa 2 Jahren soll die Firma PNSensor mehrere dieser Detektorsysteme für die Teleskope der ESO in Chile beistellen.

Originally developed for X-ray astronomy, fully depleted, backside illuminated pn-CCDs are used nowadays in many experiments in basic science. Presently, applications in the optical and near infrared band followed. In the highly time resolved optical (and near IR) astronomy, transient phenomena shall be studied with up to 1500 frames a second having a format of 256 x 256 pixels. At the same time the electronic noise has to be smaller than 3 electrons (rms). To enhance the sensitivity for longer wavelengths up to 1.2 µm a fully depleted, sensitive thickness of 500 µm was chosen. In addition an antireflective coating was deposited on the entrance window to reduce the reflection of the incident light. All those special properties can be implemented easily in the pn-CCDs. For the European Southern Observatory we are currently developing a pn-CCD system, which will be applied as a wave front sensor to an adaptive optics system, integrated in a large telescope. If successfully commissioned in about two years, those wave front sensors are foreseen for the large ESO telescopes in Chile.

Alle oben aufgeführten Detektoren werden sowohl in der Grundlagenforschung als auch in industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Im Berichtszeitraum wurden auch 4 Patente zur Herstellung, zum Betrieb und zum Funktionsprinzip verschiedener Halbleiterbauelemente angemeldet.

All of the above mentioned detectors will be operated in basic science experiments as well as in industrial applications. We have applied for 4 patents in the last year concerning the fabrication, the operation and the functional principles of the semiconductor elements.

Die hier aufgeführten Arbeiten werden vom deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert, der Heidenhain Stiftung, der Fa. PNSensor, der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) und der Europäischen Union.

The above described research projects are funded by the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), the Heidenhain Foundation, the company PNSensor, the European Space Agency (ESA) and the European Union.

 

 

MPE Jahresbericht 2003 / MPE Annual Report 2003


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