German Title: Hochauflösende Betaspektrometrie mittels metallischer magnetischer Kalorimeter für die Radionuklidmetrologie

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Abstract

Accurate beta spectra measurements are important for radionuclide metrology, validation of theoretical calculations and other applications. To date, most beta spectra were measured with semiconductor detectors and magnetic spectrometers. These methods suffer from low energy resolutions compared to what is achievable with low temperature detectors. Metallic Magnetic Calorimeters (MMCs) with the radionuclide sample embedded in a 4π absorber have proven to be among the best beta spectrometers in terms of energy resolution and threshold, linearity and detection efficiency, notably for low energy beta transitions. In this work, the beta spectrum of Tc-99 (Q− = 293.8 keV) that was measured using an optimized MMC detector is presented. It features an energy resolution of approximately 100 eV and two orders of magnitude lower energy thresholds (∼ 0.75 keV) compared to measurements recommended in the literature. The result suggests a spectrum shape which deviates significantly from hitherto theoretical calculations and semi-empirical extrapolations at lower energies (< 25 keV). Furthermore, suboptimal quantum efficiency in microcalorimeters, due to their geometry or energy detection losses caused by high energy beta emitters such as Cl-36 (Q− = 709.5 keV), is addressed. In such cases, the resulting beta spectrum distortions can be efficiently corrected with a novel algorithm that relies on extensive Monte Carlo simulations.

Translation of abstract (German)

Genau gemessene Betaspektren werden für die Radionuklidmetrologie sowie Validierung theoretischer Berechnungen und weitere Anwendungen benötigt. Bis dato wurden überwiegend Halbleiterdetektoren und Magnetspektrometer für derartige Messungen verwendet. Diese Methoden haben relativ geringe Energieauflösungen im Vergleich zu Tieftemperaturdetektoren. Metallische Magnetische Kalorimeter (MMCs), wobei die Radionuklidquelle im Absorber komplett eingebettet wird, haben sich dabei als ausgezeichnete Betaspektrometer erwiesen. Wegen ihrer Linearität und Energieauflösung, Detektionsschwelle und -effizienz gilt dies insbesondere für Betaübergänge niedriger Energien. In der vorliegenden Arbeit wird ein Betaspektrum von Tc-99 (Q− = 293.8 keV), das mit einem optimierten MMC-Detektor gemessen wurde, präsentiert. Es besitzt eine Energieauflösung von ca. 100 eV und eine Detektionsschwelle (∼ 0.75 keV) die zwei Größenordnungen geringer ist als empfohlene Spektren der Literatur. Der Spektrumverlauf weicht signifikant von derzeitigen, theoretischen Spektren und semi-empirischen Extrapolationen bei niedrigen Energien (< 25 keV) ab. Weiterhin werden Mikrokalorimeter mit suboptimalen Detektionseffizienzen, verursacht durch ihre Geometrie oder Energieverlusten von Betaemittern höherer Energie wie z. B. Cl-36 (Q− = 709.5 keV), betrachtet. In solchen Fällen kann das resultierende Betaspektrum mit einem neuartigen Algorithmus, der auf Monte Carlo-Simulationen basiert, korrigiert werden.