English Title: Magnetic micro-calorimeters : High resolution x-ray spectroscopy using energy dispersive detectors

Preview

PDF, German Download (3MB) | Terms of use

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines metallischen magnetischen Mikrokalorimeters zum hochauflösenden Nachweis von einzelnen Röntgenquanten diskutiert. Der Detektor besteht aus einem Röntgenabsorber und einem paramagnetischen Temperatursensor, über dessen Magnetisierung der Energieinhalt des kalorimetrischen Detektors bestimmt werden kann. Misst man die kleine Magnetisierungsänderung, die der Absorption eines Röntgenquantes folgt mit einem rauscharmen SQUID-Magnetometer, so erhält man durch diese ein Maß für die in den Detektor eingetragene Energie. Es wird ein theoretisches Modell vorgestellt, das die thermodynamischen Eigenschaften der Detektoren gut beschreibt, und dadurch die Optimierung des Detektoraufbaus hinsichtlich der Signalgröße ermöglicht. Die Diskussion der maximal erreichbaren Energieauflösung ergibt, dass diese durch die thermodynamischen Energiefluktuationen zwischen den Subsystemen des Detektors fundamental limitiert ist. Die Realisierung eines digitalen optimalen Filters zur Datenanalyse wird vorgestellt und seine Eigenschaften diskutiert. Mit einem Prototypdetektor, dessen zwei Röntgensensoren von einem SQUID-Gradiometer ausgelesen werden, und der eine Quanteneffizienz von über 98% für Röntgenquanten von 6 keV besitzt, wurde eine Energieauflösung von dE_FWHM = 3,4 eV erreicht.

Translation of abstract (English)

This thesis describes the development of a metallic magnetic micro-calorimeter to be used for the detection of single x-rays at high energy resolution. The detector consists of an x-ray absorber and a paramagnetic temperature sensor. The magnetization of which can be used as a measure of the energy content of the calorimetric detector. Monitoring the small change of magnetization upon the absorption of an x-ray using a low-noise SQUID magnetometer one obtains an accurate measure of the deposited energy. A theoretical model has been developed which describes the thermodynamic properties of the detector very well and allows for an optimization of the detector design with respect to signal size. The discussion of the energy resolution shows a fundamental limitation, which is a result of the energy fluctuations between the thermodynamic subsystems of the detector. The realization of a digital optimal filter is presented and its properties are discussed. With a prototype detector, consisting of two x-ray sensors which are read-out by one SQUID gradiometer, a quantum efficiency of more than 98% and an energy resolution of EFWHM = 3.4 eV for energies up to 6 keV has been achieved.