English Title: Multi-channel readout of metallic magnetic calorimeters by means of a full microwave SQUID multiplexer system

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Abstract

Zur Untersuchung der Elektron-Neutrinomasse mit sub-eV/c^2-Präzision wird derzeit das ECHo-Experiment aufgebaut, welches auf die Auslesung einer sehr großen Anzahl von metallischen magnetischen Kalorimetern (MMCs) angewiesen ist. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit erstmals die mehrkanalige, simultane Auslesung eines auf MMCs basierenden Detektorarrays mit Hilfe eines Mikrowellen-SQUID-Multiplexers sowie eines Software-Defined-Radio-Systems (SDR-Systems) beschrieben. Hierfür wurde ein Mikrowellen-SQUID-Multiplexer entworfen, im institutseigenen Reinraum hergestellt und charakterisiert. Zudem wurde ein am Karlsruher Institut für Technologie entwickeltes SDR-System in Betrieb genommen und ebenfalls charakterisiert. Durch Zusammenführung des Detektorarrays, des Mikrowellen-SQUID-Multiplexers sowie des SDR-Systems wurde anschließend eine simultane Auslesung von bis zu 15 Detektorpixeln realisiert. Die hierbei erreichten Energieauflösungen von bis zu ΔE_FWHM = 8,8 eV bei einer Energie von E = 5,9 keV sowie ΔE_FWHM = 8,0 eV bei einer Energie von E = 0 eV stellen zugleich neue Bestwerte bei der Auslesung von MMCs mit einem Mikrowellen-SQUID-Multiplexer dar und liegen nur geringfügig oberhalb der auf Basis einer Simulation erwarteten Energieauflösung. Die gemessenen Detektor- und Auslesungsparameter lassen erwarten, dass durch eine Optimierung der intrinsischen Güten der Resonatoren sowie eine Feinoptimierung der SQUID-Parameter eine Energieauflösung von ΔE_FWHM < 5 eV in unmittelbarer Reichweite liegt.

Translation of abstract (English)

To investigate the electron neutrino mass with sub-eV/c^2 sensitivity, the ECHo experiment is currently being set up, which relies on the readout of a very large number of metallic magnetic calorimeters (MMCs). In this context, this thesis describes the first multi-channel, simultaneous readout of a detector array based on MMCs by means of a microwave SQUID multiplexer and a software-defined radio system (SDR system). For this purpose, a microwave SQUID multiplexer was designed, fabricated in the on-site cleanroom and characterised. In addition, an SDR system developed at the Karlsruhe Institute of Technology was put into operation and characterised. By combining the detector array, the microwave SQUID multiplexer and the SDR system, a simultaneous readout of up to 15 detector pixels was then realised. The achieved energy resolutions of up to ΔE_FWHM = 8,8 eV at E = 5,9 keV and ΔE_FWHM = 8,0 eV at E = 0 eV also represent new best values for the readout of MMCs with a microwave SQUID multiplexer and are only slightly higher than the resolution expected on the basis of a simulation. The measured detector- and readout-parameters provide evidence to expect that by optimising the intrinsic quality factors of the resonators and other SQUID parameters an energy resolution of ΔE_FWHM < 5 eV is within immediate reach.