KIP - °gTieftemperatur-Teilchendetektoren - Kalorimeter°eCryogenic particle detection - Calorimeters°n




°gKalorimeter°eCalorimeter°n

°gDas Funktionsprinzip eines Kalorimeters basiert auf der Erkenntnis von Mayer und Joule, das Wärme eine Form von Energie ist. Ein Energieeintrag E wird durch die resultierende Temperaturerhöhung δT = E/C bestimmt, wobei C fuer die Wärmekapazität des Kalorimeters steht (Abb. 1). Die Nutzung von Kalorimetern zur Teilchendetektion hat eine lange Tradition in der Physik. Bereits 1903 haben Curie und Laborde radioaktive Strahlung mit kalorimetrischen Methoden nachgewiesen. Die Idee Kalorimeter zur Detektion von Teilchen abzukühlen, um ihre Empfindlichkeit zu steigern, findet sich erstmals 1935 in einer Publikation von Simon. Der Vorteil des Abkühlens liegt in einer Erhöhung der Signalamplitude, aufgrund der abnehmenden Wärmekapazität und einer gleichzeitigen Reduktion des Rauschens, das von thermodynamischen Fluktuationen verursacht wird. Für lange Zeit wurde die Idee von Simon wenig beachtet, bis vor etwa 20 Jahren konkrete Anwedungen den Einsatz von Tieftemperaturkalorimetern favorisierten. Seit dieser Zeit sind eine Vielzahl von Konzepten für Tieftemperaturdetektoren erarbeitet und realisiert worden. Einige wichtige Vertreter werden unter den folgenden Punkten kurz beschrieben.°e Fundamentally, the calorimetric detection of particles is based on the discovery of Mayer and Joule that heat is a form of energy.The general scheme of a calorimetric detector is shown in Fig. 1. In principle, a calorimeter is a simple device, consisting of an absorber suited for the particles being detected, which is weakly coupled to a thermal reservoir, and a thermometer with which the temperature of the absorber can be monitored with high precision. The deposited energy E is determined by the temperature rise δT = E/C. Here C denotes the heat capacity of the calorimeter.

The use of calorimeters for particle detection has a long tradition in physics, starting in 1903 with the famous experiments by Curie and Laborde, in which they were able to demonstrate the production of heat associated with the radioactive decay of radium. The idea of cooling calorimeters for particle detection to very low temperatures can be traced back to the paper of Simon in 1935.The obvious advantage of operating a calorimeter at low temperatures lies in the signal enhancement due to the decrease of heat capacity and the reduction of noise originating from thermodynamic fluctuations. For a long time this idea did not attract much attention, but driven by the need for new types of detectors for certain applications, the work on cryogenic detectors intensified significantly about twenty years ago. Since then, a wide variety of such detectors has been developed, some of which we will briefly describe below. °n
°gHalbleiter Thermistoren°eSemiconductor Thermistors°n

°gSupraleitende Übergangskalorimeter°eSuperconducting Transtion Edge Sensors°n

°gMagnetische Kalorimeter°eMagnetic Calorimeters°n

°gAbb. 1: Schematische Darstellung eines Kalorimeters bestehend aus einem Absorber, der schwach an ein Wärmebad angekoppelt ist und einem Thermometer, mit dem die Temperatur des Absorbers gemessen wird°eFig. 1: Scheme of a calorimeter for particle detection, consisting of an absorber, weakly coupled to a thermal bath and a thermometer to monitor the temperature of the absorber°n.