Tieftemperatur-Teilchendetektoren

Die Detektion und energiedispersive Messung einzelner Teilchen mit hoher Präzision ist eine Herausforderung die heutzutage vielen Anwendungen in Forschung, Gesellschaft und Industrie gegenübersteht. Die am Institut für Mikro- und Nanoelektronische Systeme (IMS) entwickelten und hergestellten magnetischen Mikrokalorimeter (MMCs) stellen mittlerweile ein etabliertes Werkzeug in einer Vielzahl von Anwendungen dar, wie beispielsweise der höchstauflösenden Röntgenspektroskopie, der Bestimmung der Neutrinomasse, der Radionuklidmetrologie oder der Suche nach dunkler Materie.

Das Messprinzip eines magnetischen Mikrokalorimeters beruht auf der Messung der Erwärmung eines Absorbers, dessen Temperatur sich durch die Absorption eines einfallenden Teilchens ändert. Als Temperatursensor wird ein paramagnetisches Sensormaterial verwendet, das in einem schwachen äußeren Magnetfeld platziert wird und daher eine temperaturabhängige Magnetisierung zeigt. Änderungen dieser Magnetisierung werden mit Hilfe von supraleitenden Quanteninterferenzdetektoren (SQUIDs) gemessen.

Die optimale Detektorgeometrie eines magnetischen Mikrokalorimeters, die die beste Energieauflösung ermöglicht, hängt von der Art der zu detektierenden Teilchen sowie deren Energiebereich ab. Zu diesem Zweck wird am IMS für jede Anwendung mithilfe theoretischer Modelle die Detektorgeometrie optimiert und diese in eine Entwurfszeichnung umgesetzt. In der institutseigenen Technologieabteilung folgt dann die Mikrofabrikation der Detektoren auf Waferebene mit einer Vielzahl verschiedener Materialien in bis zu 30 aufeinanderfolgenden Prozessschritten. Der Temperatursensor wird etwa durch Sputterdeposition wenige Mikrometer dick auf ein Substrat aufgebracht und mithilfe photolithographischer Verfahren strukturiert. Darunter befindliche supraleitende Spulen aus Niob dienen der Abnahme des Sensorsignals und dessen Weitergabe an das SQUID. Auf das Sensormaterial wird der Teilchenabsorber aus hochreinem Gold freistehend auf Stämmen strukturiert, was eine deutliche Verbesserung der Energieauflösung ermöglicht. Nach Abschluss der Mikrofabrikation werden die Detektoren typischerweise in einem Verdünnungskryostaten, wie er auch am IMS verfügbar ist, charakterisiert und für verschiedenste Experimente verwendet. Während für die Auslese weniger Detektorpixel einzelne SQUIDs zum Einsatz kommen, wird am IMS die Entwicklung von Mikrowellen-SQUID-Multiplexern vorangetrieben, um die Skalierbarkeit der bereits existierenden Detektorsysteme auf bildgebende Detektorarrays mit mehreren tausend Pixeln zu ermöglichen.