German Title: Hochauflösende Magnetische Mikrokalorimeter: Thermodynamik, Kühlung und Rauschen

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Abstract

Magnetic micro-calorimeters (MMCs) are cryogenic particle detectors well suited for high-precision X-ray spectroscopy. They measure the temperature rise caused by an X-ray impact via the change in magnetization of a paramagnetic temperature sensor. Until now, MMCs have been designed to operate at around 20mK, requiring sophisticated cooling, which limits their application. In this work, we show that magnetic micro-calorimetry is possible at significantly higher temperatures, by developing two novel MMCs with reduced cooling requirements. The first illustrates a new application for MMCs in the field of particle induced X-ray emission spectroscopy. At an operating temperature of 85mK, this detector has a FWHM energy resolution of 19eV at 5.9keV, outperforming current alternatives. Our second MMC is a proof-of-principle detector, which demonstrates that operating temperatures of up to 300mK are feasible. With a third, stand-alone device, we analyze noise sources affecting superconducting microstructures, such as MMCs. By comparing results from three different operation modes, we are able to disentangle noise components, in particular magnetic flux noise. High-precision measurements of noise originating from the sensor show a previously unobserved Johnson noise component and unexpected variations in the magnetic flux noise, which we relate to the dynamics of the magnetic moments in the sensor. Overall, our results broaden the application range of MMCs, and illustrate how noise analysis can improve the performance of superconducting devices.

Translation of abstract (German)

Magnetische Mikrokalorimeter (MMCs) sind kryogene Teilchendetektoren, die sich für hochauflösende Röntgenspektroskopie eignen. MMCs messen den durch einen Röntgeneinschlag verursachten Temperaturanstieg über die Änderung der Magnetisierung eines paramagnetischen Sensors. Bislang wurden MMCs für einen Betrieb bei etwa 20mK ausgelegt, was eine aufwendige Kühlung erfordert und ihren Anwendungsbereich einschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass MMCs auch bei deutlich höheren Temperaturen betrieben werden können, indem zwei neuartige MMCs mit geringeren Kühlanforderungen entwickelt wurden. Der erste Detektor etabliert eine für MMCs neue Anwendung auf dem Gebiet der partikel-induzierten Röntgenemissionsspektroskopie. Bei einer Betriebstemperatur von 85mK wurde eine Energieauflösung von 19eV bei 5,9keV beobachtet, was derzeitigen Alternativen übertrifft. Der zweiter MMC ist ein Proof-of-Principle-Detektor, der Betriebstemperaturen von bis zu 300mK ermöglicht. Mit einem dritten, eigenständigen Gerät wurden Rauschquellen analysiert, die supraleitende Mikrostrukturen wie MMCs beeinflussen. Durch den Vergleich der Ergebnisse von drei verschiedenen Betriebsarten können Rauschkomponenten, insbesondere das magnetische Flussrauschen, identifiziert werden. Hochpräzise Messungen des vom Sensor ausgehenden Rauschens zeigen eine bisher nicht beobachtete Johnson-Rauschkomponente und unerwartete Variationen im magnetisch Flussrauschen, die mit der Dynamik der magnetischen Momente im Sensor in Verbindung gebracht werden können. Insgesamt erweitern die Ergebnisse den Anwendungsbereich von MMCs und veranschaulichen, wie eine Analyse des Rauschens die Qualität von supraleitenden Bauteilen verbessern kann.