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Development of a metallic magnetic calorimeter with integrated SQUID readout

Krantz, Matthäus

German Title: Entwicklung eines metallischen magnetischen Kalorimeters mit integrierter, SQUID-basierter Sensorauslese

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Abstract

This thesis describes the development of a high-resolution soft X-ray detector based on metallic magnetic calorimeters (MMCs). MMCs are cryogenic, energy dispersive particle detectors which consist of a particle absorber that is thermally coupled to a paramagnetic temperature sensor. The latter is placed in a weak magnetic field, hence exhibiting a temperature dependent magnetization M(T). Upon X-ray photon absorption, the rise of detector temperature causes a change of sensor magnetization, which is usually read out with a current-sensing dc-SQUID via a superconducting flux transformer. Here, an imperfect transformer matching, as well as a transformer intrinsic energy coupling losses, limit the achievable energy resolution. To challenge this limit, a novel integrated detector was developed, in which the temperature sensor is integrated into a custom-designed dc-SQUID to maximize signal coupling. A major challenge of this configuration is the Joule heating of the SQUID, since heating effects prevent cooling of the detector and thus limit its performance. For this reason, the developed 32 pixel detector makes use of a newly developed thermalization scheme for the SQUID’s shunt resistors, resulting in operation temperatures below 20 mK for the detector. With this kind of detector, a baseline energy resolution of dE = 1.3 eV, and dE = 1.8 eV at 5.9 keV was achieved.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Teilchendetektors basierend auf metallischen magnetischen Kalorimetern (MMCs) für die hochauflösende Spektroskopie von weicher Röntgenstrahlung beschrieben. MMCs sind kryogene, energiedispersive Teilchendetektoren, welche aus einem Teilchenabsorber bestehen, der in thermischen Kontakt mit einem paramagnetischen Temperatursensor steht. Letzterer befindet sich in einem schwachen Magnetfeld, wodurch er eine temperaturabhängige Sensormagnetisierung M(T) besitzt. Die Absorption eines Röntgenphotons führt zu einer Erhöhung der Detektortemperatur, und damit folglich zu einer Änderung der Sensormagnetisierung, was überlicherweise über einen supraleitenden Flusstransformator mit einem SQUID-Stromsensor ausgelesen wird. Hierbei limitieren eine unvollkommene Transformatoranpassung, sowie fundamentale Grenzen in der transformatorgekoppelten Energiesensitivität, die erreichbare Energieauflösung. Um diese Einschränkung zu beseitigen, wurde ein integrierter Detektor entwickelt, bei dem der Temperatursensor in ein spezielles dc-SQUID integriert wurde, um die Signalkopplung zu maximieren. Eine große Herausforderungen bei dieser Direktauslese ist, den Detektor auf eine ausreichend niedrige Betriebstemperatur abzukühlen, da Heizeffekte, die durch die Ströme in den SQUID Shuntwiderständen erzeugt werden, einen relativ großen Wärmeeintrag in den Detektor darstellen. Aus diesem Grund wurde für den integrierten Detektor ein neuartiges Thermalisierungskonzept entwickelt, welches es erlaubt, den Detektor unter 20 mK abzukühlen. Damit konnte eine intrinsische Energieauflösung von dD = 1.3 eV, und dE = 1.8 eV bei 5.9 keV demonstriert werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Enss, Prof. Dr. Christian
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 8 July 2020
Date Deposited: 24 Aug 2020 11:10
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
Controlled Keywords: SQUID, X-ray, Spectroscopy
Uncontrolled Keywords: metallic magnetic calorimeter
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