KIP-Veröffentlichungen

In dieser Arbeit wird ein neues Temperatursensorkonzept für Tieftemperatur-Kalorimeter für die hochauflösende Röntgenspektroskopie beschrieben. Der Detektor besteht aus einem Absorber und einem Temperatursensor, die guten thermischen Kontakt zueinander besitzen, wobei der Sensor zusätzlich schwach an ein Wärmebad gekoppelt ist. Als Sensor wird ein supraleitender Film verwendet, der einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt ist.
Die Energie eines absorbierten Röntgenphotons verursacht im Sensor eine Temperaturerhöhung, die zu einer Änderung der magnetischen Eindringtiefe und somit zu einer Änderung der magnetischen Flussdichte führt. Diese wird mit einem rauscharmen SQUID-Magnetometer detektiert und ist ein Maß für die im Detektor deponierte Energie.
Für die Charakterisierung der Sensoreigenschaften wurden supraleitende Filme mit unterschiedlichen Strukturen und unterschiedlichen Mikrostrukturierungsparametern hergestellt. Die an diesen durchgeführten Messungen der Temperaturabhängigkeit der magnetischen Flussdichte ließen sich gut im Rahmen des Ginzburg-Landau-Modells beschreiben. Es konnte gezeigt werden, dass die magnetische Flussdichteverdrängung durch die starke Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eindringtiefe bestimmt wird. Durch die Entwicklung von supraleitenden Strukturen mit Ausdehnungen im µm-Bereich ließen sich außerdem Hystereseeffekte vermeiden.
Basierend auf diesen Ergebnissen wurde das im SQUID-Magnetometer erwartete Flusssignal eines Detektors mit supraleitendem Sensor numerisch simuliert. Die Simulation zeigt, dass die entwickelten Kalorimeter eine Energieauflösung für Photonen im weichen Röntgen-Bereich von unter 1 eV erwarten lassen.

This thesis reports on the development of high energy resolution X-ray detectors based on a new sensor concept. The detector is composed of an absorber and a temperature sensor with good thermal contact to each other. The sensor is weakly coupled to a thermal bath. The temperature sensor consists of a superconducting film which is placed in an external magnetic field. A temperature change in the sensor caused by the absorption of an X-ray photon alters the diamagnetic response of the superconducting film, which is detected with a low noise SQUID-magnetometer, enabling the determination of the deposited energy. %Since the exclusion of the magnetic field within the sensor is defined by the strong temperature dependance on the London penetration depth, this new sensor-type offers a much higher temperature sensitivity than other calorimetric detection principles.
To investigate the achievable sensor performance superconducting structures with various geometries and processed using various microstructuring parameters were tested. A Ginzburg-Landau-based model accurately describes the measured temperature dependence of the diamagnetic response of the superconducting structures and showed that the signal is defined by the strong temperature dependence of the magnetic penetration depth. In particular it was shown that certain geometries with reduced size suppress hysteretic behavior. Based on the developed model for calorimeters with superconducting temperature sensors a finite-element simulation of the magnetic flux change in the SQUID-magnetometer per deposited energy was performed. The results show that detectors with this new sensor concept have the potential to reach energy resolutions below 1 eV for soft X-ray photons.