English Title: Development, fabrication and characterization of a metallic magnetic calorimeter based 64 pixel detector array with integrated microwave SQUID multiplexer

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung eines auf metallischen magnetischen Kalorimetern basierenden Detektorarrays mit 64 Pixeln beschrieben, das durch einen integrierten Mikrowellen-SQUID-Multiplexer ausgelesen wird. Das Ziel dieser Entwicklung bestand einerseits darin, erstmalig die Auslesung eines metallischen magnetischen Kalorimeters mithilfe eines Mikrowellen-SQUID-Multiplexers zu demonstrieren. Andererseits wurde anhand des entwickelten Detektorarrays eine im Rahmen dieser Arbeit vorgenommene Erweiterung des bisher verwendeten Multiplexer-Modells experimentell überprüft. Bei dieser Erweiterung wurden nicht nur solche Effekte in das Modell aufgenommen, die speziell bei der Auslesung von metallischen magnetischen Kalorimetern auftreten und deren Berücksichtigung für eine Optimierung des Gesamtsystems notwendig ist, sondern erstmals auch die Eigenschaften eines realen Josephson-Kontakts berücksichtigt, das heißt dessen Subgap-Widerstand und dessen intrinsische Kapazität. Es zeigte sich, dass auf dem erweiterten Modell basierende Vorhersagen und numerische Anpassungen sehr gut mit den experimentell bestimmten charakteristischen Kennlinien übereinstimmen. Ferner zeigte das Modell auch, dass durch eine Optimierung der Eigenschaften der Josephson-Kontakte sowie durch eine Anpassung verschiedener Induktivitäten und Gegeninduktivitäten die im Rahmen dieser Arbeit erreichte Energieauflösung von DeltaE_FWHM = 11 eV bei einer Energie von E = 0 keV und DeltaE_FWHM = 19 eV bei einer Energie von E = 5.9 keV um mehr als einen Faktor zwei gesenkt werden kann.

Translation of abstract (English)

This thesis describes the development, fabrication and characterization of a 64 pixel detector array which is based on metallic magnetic calorimeters and read out by an integrated microwave SQUID multiplexer. One aim of this development which has been succeeded was to demonstrate the readout of metallic magnetic calorimeters by means of a microwave SQUID multiplexer for the first time. Besides, the device allowed for verifying a refined version of the model of a microwave SQUID multiplexer which was established by extending the state-of-the-art multiplexer model by effects which are relevant for the readout of metallic magnetic calorimeters and which need to be considered when optimizing the overall detector system. In addition, the refined model includes the impact of parasitic shunts of the Josephson junction, i.e. the subgap resistance and its intrinsic capacitance, on the characteristics of the multiplexer. By means of a comprehensive characterization of the detector array with integrated microwave SQUID multiplexer, a very good agreement between measured data and predictions or fits based on the refined multiplexer model was found. In addition, the model predicts that the measured energy resolution of DeltaE_FWHM = 11 eV at E = 0 keV and DeltaE_FWHM = 19 eV at E = 5.9 keV can be improved by more than a factor of two by adjusting several self and mutual inductances.