English Title: Development of a Metallic Magnetic Calorimeter for High Resolution Spectroscopy

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Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein metallisches magnetisches kalorimeter für den hochauösenden Nachweis von einzelnen Röntgenquanten entwickelt. Der Detektor besteht aus einem Röntgenabsorber und einem paramagnetischen Temperatursensor. Bei der Absorption eines Röntgenquants wird die Temperaturerhöhung im paramagnetischen Sensor über die Änderung seiner Magnetisierung mit Hilfe eines rauscharmen SQUID-Magnetometers nachgewiesen. Die thermodynamischen Eigenschaften des Detektors können im Rahmen einer Molekularfeldtheorie gut beschrieben werden. Basierend hierauf lässt sich eine Optimierung des Detektors bezüglich der Signalgröÿe durchführen. Die maximal erreichbare Energieauösung wird durch thermodynamische Energieuktuationen zwischen Absorber, Wärmebad und Thermometer begrenzt. Ein interessantes Anwendungsgebiet für ein metallisches magnetisches Kalorimeter ist die Röntgenastronomie und die Untersuchung im Röntgenbereich emittierender Objekte. Durch die hochauösende Röntgenspektroskopie lassen sich eine Vielzahl an Informationen über die physikalischen Vorgänge auch von weit entfernten Objekten erhalten. Das in dieser Arbeit entwickelte magnetische Kalorimeter besitzt einen metallischen Absorber mit einer Quantenezenz von über 98% bei 6 keV. Die Energieauösung dieses Detektors lässt sich mit EFWHM = 2,7 eV bei 5,9 keV angeben. Die Abweichung der Signalhöhe des Detektors von einem linearen Verhalten beträgt nur 0,8% bei einer Energie von 5,9 keV.

Translation of abstract (English)

In this thesis the development of a metallic magnetic calorimeter for high resolution detection of single x-ray quanta is described. The detector consists of an x-ray absorber and a paramagnetic temperature sensor. The raise in temperature of the paramagnetic sensor due to the absorption of a single x-ray is measured by the change in magnetization of the sensor using a low-noise SQUID magnetometer. The thermodynamic properties of the detector can be described by a theoretical model based on a mean eld approximation. This allows for an optimization of the detector design with respect to signal size. The maximal archievable energy resolution is limited by thermodynamic energy uctuations between absorber, heat bath and thermometer. An interesting eld of application for a metallic magnetic calorimeter is x-ray astronomy and the investigation of x-ray emitting objects. Through high-resolution x-ray spectroscopy it is possible to obtain information about physical processes of even far distant objects. The magnetic calorimeter that was developed in this thesis has a metallic absorber with a quantum eciency of 98% at 6 keV. The energy resolution of the magnetic calorimeter is EFWHM = 2.7 eV at 5.9 keV. The deviation of the detector response from a linear behavior of the detector is only 0.8% at 5.9 keV.