Commissioning and Characterization of the first DSSC ladder X-ray camera prototype for the European XFEL

Abstract

The European X-Rays Free-Electron Laser (XFEL.EU) is a new X-ray facility built in the Hamburg metropolitan area. It is the most largest and brilliant coherent X-ray source ever built. The machine is able to provide to the end-stations trains of 2700 X-ray pulses with 222ns (4.5 MHz) separation time between each other; the trains are repeated every 0.1 s. In order to perform scientific experiments using the X-rays provided by the machine, the XFEL.EU commissioned three new detector projects able to match the characteristic XFEL.EU time structure and to implement the high demanding requirements defined by the scientific community.

One of these three projects is the DSSC (DEPFET Sensor with Signal Compression) detector project. The DSSC is the imaging detector prepared for soft X-ray instruments at XFEL.EU. It is a one-million pixel camera able to acquire up to 800 consecutive images in a train, with a 4.5 MHz frame rate. The DSSC is designed to reach a single photon sensitivity at 1 keV together with a high dynamic range. To reach these requirements, the detector was originally designed to use the non-linear DEPFET sensors, which implement an internal signal compression. However, in its first version the DSSC uses more conventional mini silicon drift detector (Mini-SDD) pixel arrays. The signal compression can be realized in the first amplification stage of the front-end electronics. The DSSC 1M pixel camera is composed of 16 units, each called a DSSC ladder.

The goal of the work of this thesis was to integrate, bring into operation and perform the first characterization of the DSSC ladder systems implementing two different types of sensors, DEPFET and Mini-SDD. A DSSC ladder equipped with DEPFET sensors was tested with pulsed visible light, emulating the XFEL.EU timing structure. A DSSC ladder equipped with Mini-SDD sensors was tested in a dedicated vacuum setup at the soft X-ray beamline P04 at Petra III, DESY. In both cases, the detectors were successfully brought into operation, measurements were performed and the detector was characterized. However, due to the performances of the first version of the full-size ASIC, the detector could not reach the target specification defined for operation at XFEL.EU. This is expected to be improved with the second version of the ASIC.

Der Europäische Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL.EU) ist eine neue Forschungseinrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in Hamburg und Schleswig-Holstein. Es ist die grösste und leuchtstärkste, kohärente Röntgenquelle der Welt. Die Anlage versorgt die angeschlossenen Experimente mit einer Abfolge (Train) von bis zu 2700 Röntgenblitzen mit einer zeitlichen Trennung von 222ns (4.5MHz); die Trains wiederholen sich alle 0.1s. Um die Möglichkeiten der von der Anlage zur Verfügung gestellten Röntgenstrahlung vollständig ausschöpfen zu können, initiierte das XFEL.EU die Entwicklung dreier neuartiger Röntgendetektoren.

Eines dieser drei Projekte ist das DSSC (DEPFET Sensor mit Signalkompression) Detektorprojekt. Der DSSC ist ein bildgebender Detektor für Experimente mit weicher Röntgenstrahlung am XFEL.EU. Insgesamt verfügt der Detektor über eine Million Pixel und ist in der Lage während eines Trains 800 aufeinanderfolgende Bilder mit einer Bildrate von 4.5MHz aufzuzeichnen. Der DSSC soll sowohl bei einer Photonenenergie von 1keV Einzelphotonen auflösen können als auch einen hohen dynamischen Bereich zur Verfügung stellen. Zur Umsetzung dieser Anforderungen sollte der Detektor ursprünglich mit nicht-linearen DEPFET Sensoren ausgestattet werden, welche durch ihr Funktionsprinzip eine interne Signalkomprimierung erreichen. In seiner ersten Version verwendet der DSSC jedoch zunächst eine Matrix von Siliziumdriftdetektoren (Mini-SDD). Die Signalkompression wird dabei in der ersten Verstärkerstufe der Front-End Elektronik realisiert. Der vollständige Detektor umfasst 16 individuelle Baugruppen, die sogenannten DSSC Ladders.

Das Ziel dieser Disseration ist die Integration, Inbetriebnahme und Charakterisierung des DSSC Ladder Systems mit beiden Sensortypen. Dazu wurde eine mit einem DEPFET Sensor bestückte DSSC Ladder mittels eines gepulsten, optischen Lasers getestet. Eine weitere, mit einem SDD Sensor ausgerüstete DSSC Ladder wurde einer Vakuum-Umgebung am Strahlrohr P04 des PETRAIII Synchrotons (DESY) getestet. In beiden Fällen konnten die DSSC Ladders erfolgreich in Berieb genommen, für Messungen verwendet und charakterisiert werden. Bei den Tests zeigte sich, dass die Leistung der ersten Version der in der Front-End Elektronik verbauten ASICs hinter den Zielvorgaben des XFEL.EU zurückbleibt. Eine zweite, verbesserte Version des ASICs soll den Zielvorgaben künftig gerecht werden.