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High-Resolution Metallic Magnetic Calorimeters for beta-Spectroscopy on 187-Rhenium and Position Resolved X-Ray Spectroscopy

Porst, Jan-Patrick

German Title: Hochauflösende Metallische Magnetische Kalorimeter für die beta-Spektroskopie an 187-Rhenium und die ortsaufgelöste Röntgenspektroskopie

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Abstract

This thesis describes the development of metallic magnetic calorimeters (MMCs) for high resolution spectroscopy. MMCs are energy dispersive particle detectors based on the calorimetric principle which are typically operated at temperatures below 100 mK. The detectors make use of a paramagnetic temperature sensor to transform the temperature rise upon the absorption of a particle in the detector into a measurable magnetic flux change in a dc-SQUID. The application of MMCs for neutrino mass measurements and their advantages with respect to other approaches are discussed. In view of this application the development of an MMC optimized for β-endpoint spectroscopy on 187-rhenium is presented. A fully micro-fabricated X-ray detector is characterized and performs close to design values. Furthermore, a new technique to more efficiently couple rhenium absorbers mechanically and thermally to the sensor was developed and successfully tested. By employing a metallic contact, signal rise times faster than 5 μs could be observed with superconducting rhenium absorbers. In addition to the single pixel detectors, an alternative approach of reading out multiple pixels was developed in this work, too. Here, the individual absorbers have a different thermal coupling to only one temperature sensor resulting in a distribution of different pulse shapes. Straightforward position discrimination by means of rise time analysis is demonstrated for a four pixel MMC and a thermal model of the detector is provided. Unprecedented so far, an energy resolution of less than ∆E_FWHM < 5 eV for 5.9 keV X-rays was achieved across all absorbers.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von hochaufösenden Metallischen Magnetischen Kalorimetern (MMC) beschrieben. Ein magnetisches Kalorimeter ist ein energiedispersiver Teilchendetektor, der bei Temperaturen unter 100mK betrieben wird. Der Energieeintrag wird dabei in Form einer Temperaturänderung und der damit verbundenen Magnetisierungsänderung des paramagnetischen Temperatursensors durch ein sensitives DC-SQUID-Magnetometer nachgewiesen. Die Verwendung von MMCs zur Neutrinomassenbestimmung durch β-Endpunktspektroskopie an 187-Rhenium und die Vorzüge dieser Methode im Vergleich zu anderen Ansätzen wird diskutiert und ein im Hinblick auf diese Anwendung optimierter Detektor vorgestellt. Die Charakterisierung eines vollständig mikrostrukturierten Röntgendetektors bestätigt weitgehend die Erwartungen an die thermodynamischen Eigenschaften aller Detektorkomponenten. Darüber hinaus wird ein neues Verfahren beschrieben, das es erlaubt, Rheniumabsorber sowohl mechanisch als auch thermisch sehr gut mit dem Temperatursensor zu verbinden. Mit Hilfe einer metallischen Verbindung ko ̈nnen so Signalanstiegszeiten unter 5 μs in unterschiedlichen supraleitenden Rheniumabsorbern beobachtet werden. Zusätzlich zu der Entwicklung von Ein-Pixel-Detektoren wird in dieser Arbeit ein Detektor entwickelt, der es erlaubt mit nur einem Temperatursensor mehrere Absorberelemente auszule- sen. Die einzelnen Röngtenabsorber sind dafür thermisch unterschiedlich stark an den Sensor gekoppelt und eine Energieabsorption in dem jeweiligen Absorber fu ̈hrt zu verschiedenen Signalanstiegszeiten. Für einen Detektor mit vier Absorbern wird mit Hilfe einer Analyse der Signalanstiegszeiten eine eindeutige Pixelzuordnung nachgewiesen, zudem wird ein thermisches Modell fu ̈r diesen Detektortyp dargestellt. Mit 5.9 keV Röntgenquanten konnte für Energiespektren in allen vier Absorbern eine für diesen Detektortyp bisher unerreichte Energieauflösung unter ∆E_FWHM < 5 eV gemessen werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Enss, Prof. Dr. Christian
Date of thesis defense: 1. February 2011
Date Deposited: 08. Feb 2011 15:23
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Tieftemperaturphysik, Tieftemperaturkalorimeter, Neutrino, Spektroskopie, Raumauflösung, Energieauflösung, Photonendetektor
Uncontrolled Keywords: Neutrinomasse , MARE , Metallische Magnetische Kalorimeter, Mikrofabrikation , ortsaufgelöste Röntgenspektroskopieneutrino mass , MARE , metallic magnetic calorimeter , micro-fabrication , Position-sensitive X-ray detector
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