Development of UV MCP Detectors

Abstract

With its excellent instruments, the Hubble Space Telescope (HST) has served the UV community for over thirty years, providing the opportunity to acquire data for its projects. With the HST expected to be in operation for only five more years and the future James Webb Space Telescope not covering the UV spectral region, there may be an observational gap in the UV. Delays in the WSO-UV space telescope and long lead times on even larger missions mean that this gap can only be filled by smaller, more specialized telescopes. In turn, the instruments installed in these smaller telescopes must meet relatively stringent space, power, and mass requirements.

Therefore, an imaging microchannel plate (MCP) detector for the near to far ultraviolet spectral range is being developed at the Institute for Astronomy and Astrophysics Tübingen (IAAT), combining high spatial resolution with relatively low mass (3 kg), power consumption (15 W) and size. The detector is also photon counting and does not require active cooling to achieve a dark count rate superior to that of cooled CCDs.

The focus of this work is to present the steps in the development of the detector. In the first chapter an overview of the design of the detector is given. The setup must allow to determine the position of up to 300000 UV photons per second with a positional accuracy of about 20 µm. The working principle of the detector electronics is only outlined. Instead, the components installed in the detector head and their characteristics are described in detail. Particularly worth mentioning are the possibilities offered by the use of MCPs, in which glass capillary arrays are coated using atomic layer deposition. In addition to a longer lifetime and a further reduced dark count rate, this is primarily their temperature resistance of 450 °C. With optimised annealing processes in the manufacturing process of a resistive layer, these temperatures can be even higher. This enables the growth of GaN on such MCPs and the activation of getter films in the detector head.

The detector uses a photocathode with negative electron affinity to convert incident UV photons into photoelectrons. This combines a high conversion rate, called quantum efficiency (QE), with a low dark current. The focus of the corresponding chapter is on the detailed description of the external photoelectric effect in the case of caesium-activated and p-doped gallium nitride (GaN) photocathodes.

In the third part of this work, the experimental setup and the results of the performed experiments are presented. The first experiment is the sealing of diodes with 2.5 cm diameter substrates and caesium activated photocathode. Two diodes were successfully sealed, and it was shown that the photocathode does not degrade. The main requirement for successful sealing is properly coated sealing surfaces. The caesium telluride photocathodes needed for the sealing tests are fabricated and measured in another ultra-high vacuum chamber. A further series of experiments involves optimizing the growth and activation parameters of GaN photocathodes on magnesium fluoride ( MgF2) substrates. Since MgF2 is transparent in a broader spectral range compared to sapphire and even includes the Lyman-alpha line, its use in an encapsulated UV detector is usually advantageous. However, poor results are initially obtained on MgF2 compared to GaN on sapphire substrates. This is mainly because the parameters obtained from cleaning or annealing sapphire substrates cannot be easily transferred to MgF2. For example, MgF2 is more sensitive to the high temperatures during growth, annealing, and bakeout. Therefore, many parameters need to be optimised in the fabrication of such a photocathode. Experiments include optimization of the growth temperature and p-doping of the corresponding films. After optimization, it was shown that a QE equally high as found in literature for comparable films on sapphire is obtained. This means that these films are suitable to achieve a QE of 20-30 % in semi-transparent mode, provided that an ohmic contact can be created by ``soft annealing''.

Finally, high-resolution STIS spectra from the hot white dwarfs WD0455-282, WD0621-376, and WD2211-495 are analysed. There are three main goals in this analysis. First, when building a detector, a good understanding of the properties of the measured data obtained with the detector should also be acquired. Second, the main scientific goal of a mission is to use the instrument with the IAAT detector to acquire data from astronomical objects of interest. The knowledge needed to analyse and interpret these data can already be acquired with the analysis of existing data. Finally, the obtained results are compared with the analyses of the same spectra found in literature.

Mit seinen exzellenten Instrumenten hat das Hubble-Weltraumteleskop der UV-Gemeinschaft über dreißig Jahre lang gedient und die Möglichkeit geboten, Daten für ihre Projekte zu erfassen. Da das Hubble-Teleskop voraussichtlich nur noch fünf Jahre in Betrieb sein wird und das James Webb Space Teleskop den UV-Spektralbereich nicht abdeckt, könnte eine Beobachtungslücke im UV-Bereich entstehen. Verzögerungen beim WSO-UV-Weltraumteleskop und lange Vorlaufzeiten bei noch größeren Missionen bedeuten, dass diese Lücke nur durch kleinere, spezialisiertere Teleskope geschlossen werden kann. Die in diesen kleineren Teleskopen installierten Instrumente müssen wiederum relativ strenge Platz- und Masseanforderungen erfüllen. Daher wird am Institut für Astronomie und Astrophysik Tübingen (IAAT) ein abbildender Mikrokanalplatten-Detektor (MCP) für den nahen bis fernen ultravioletten Spektralbereich entwickelt, der hohe räumliche Auflösung mit relativ geringer Masse (3 kg), Leistungsaufnahme und Größe kombiniert. Der Detektor ist zudem photonenzählend und benötigt keine aktive Kühlung, um eine geringe Dunkelzählrate zu erreichen.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Darstellung der Schritte bei der Entwicklung des Detektors. Im ersten Kapitel wird ein Überblick über den Aufbau des Detektors gegeben. Der Aufbau muss es ermöglichen, die Position von bis zu 300000 UV-Photonen pro Sekunde mit einer Genauigkeit von jeweils etwa 20 µm zu bestimmen. Das Funktionsprinzip der Detektorelektronik ist nur skizziert. Stattdessen werden die im Detektorkopf eingebauten Komponenten und deren Eigenschaften detailliert beschrieben. Besonders erwähnenswert sind die Möglichkeiten, die sich durch die Verwendung von MCPs ergeben, bei denen Glaskapillararrays mittels Atomlagenabscheidung beschichtet werden. Neben einer längeren Lebensdauer und einer nochmals reduzierten Dunkelzählrate ist dies vor allem ihre Temperaturbeständigkeit von 450 °C. Dies ermöglicht das Wachstum von Galliumnitrid (GaN) auf solchen MCPs und die Aktivierung von Getterschichten im Detektorkopf.

Der Detektor verwendet eine Photokathode mit negativer Elektronenaffinität, um einfallende UV-Photonen in Photoelektronen umzuwandeln. Diese kombiniert eine hohe Umwandlungsrate, die sogenannte Quanteneffizienz (QE), mit einem geringen Dunkelstrom. Der Schwerpunkt des entsprechenden Kapitels liegt auf der detaillierten Beschreibung des externen photoelektrischen Effekts im Falle von Cäsium-aktivierten und p-dotierten GaN-Photokathoden.

Im dritten Teil dieser Arbeit werden der Versuchsaufbau und die Ergebnisse der durchgeführten Experimente vorgestellt. Das erste Experiment ist die Versiegelung von Dioden mit 2,5 cm durchmessenden Substraten und cäsiumaktivierter Photokathode. Zwei Dioden wurden erfolgreich versiegelt und es wurde gezeigt, dass die Photokathode nicht degradiert. Die Hauptvoraussetzung für eine erfolgreiche Versiegelung sind richtig beschichtete Versiegelungsflächen. Die für die Versiegelungstests benötigten Cäsiumtellurid-Photokathoden werden in einer weiteren Ultrahochvakuumkammer hergestellt und vermessen. Eine weitere Versuchsreihe umfasst die Optimierung der Wachstums- und Aktivierungsparameter von GaN-Photokathoden auf Magnesiumfluorid (MgF2)-Substraten. Da MgF2 im Vergleich zu Saphir in einem breiteren Spektralbereich transparent ist und sogar die Lyman-alpha-Linie einschließt, ist sein Einsatz in einem gekapselten UV-Detektor meistens von Vorteil. Auf MgF2 werden im Vergleich zu GaN auf Saphirsubstraten aber zunächst schlechtere Ergebnisse erzielt. Das liegt vor allem daran, dass die Parameter, die man beim Reinigen oder Glühen von Saphirsubstraten verwendet, für MgF2 nicht einfach übernommen werden können. Zum Beispiel ist MgF2 temperaturempfindlicher, was das Wachstum, Glühen und Ausheizen erschwert. Es wurde gezeigt, dass nach der Optimierung eine gleich hohe QE erreicht wird, wie in der Literatur bei vergleichbaren Schichten auf Saphir. Dies bedeutet, dass diese Schichten geeignet sind um im semi-transparenten Modus eine QE von 20-30 % zu erreichen, sobald ein ohmischer Kontakt durch "`sanftes Glühen'' hergestellt werden kann.

Abschließend werden hochaufgelöste STIS-Spektren von den heißen Weißen Zwergen WD0455-282, WD0621-376 und WD2211-495 analysiert. Es gibt drei Hauptziele bei dieser Analyse. Erstens sollte beim Bau eines Detektors auch ein gutes Verständnis für die Eigenschaften der Messdaten, die mit dem Detektor gewonnen werden, erworben werden. Zweitens ist das wissenschaftliche Hauptziel einer Mission, mit dem Instrument Daten zu erfassen, die dann analysiert werden können. Mit der Analyse bestehender Daten kann das dafür benötigte Wissen angeeignet werden. Schließlich werden die erhaltenen Ergebnisse mit den in der Literatur gefundenen Analysen der gleichen Spektren verglichen.