Überblick

Sie messen, was sie heiß macht

Magnetische Mikrokalorimeter etablieren sich als neue Schlüsseltechnologie.

  • Andreas Fleischmann, Loredana Gastaldo, Sebastian Kempf und Christian Ens
  • 05 / 2016 Seite: 27

Das extrem hohe Auflösungsvermögen magnetischer Kalorimeter sowie ihre universelle Anwendbarkeit für Strahlung und Materie machen sie zu einzigartigen Werkzeugen in unterschiedlichsten Präzisionsexpe­rimenten. Auf zahlreichen Gebieten, die von der Neutrinophysik über die Röntgenspektroskopie bis zur nuklearen Forensik reichen, gelang es bereits, ihr vielversprechendes Potenzial unter Beweis zu stellen.

Die Entwicklung bolometrischer und kalori­metrischer Tieftemperaturdetektoren ist seit jeher durch ein breites Spektrum an Anwendungen in der Grundlagenforschung motiviert: die Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung, der direkte Nachweis Dunkler Materie, die Messung des Sonnenneutrinospektrums, die Röntgenastronomie und viele andere. Die daraus resultierende Detektortechnologie hat inzwischen in vielen Gebieten Einzug gehalten. Sie erobert zudem immer weitere Anwendungsfelder wie die Atom- und Schwerionenphysik, die nukleare Forensik, die Materialanalyse oder die Radiometrologie. Ohne Übertreibung kann man sagen, dass die Ära der kryogenen Mikrokalorimeter begonnen hat. Für bestimmte Experimente stellen sie heute eine Schlüsseltechnologie dar, da sie diverse Messungen überhaupt erst ermög­lichen.

Mikrokalorimeter für die hochauflösende Röntgenspektroskopie schließen heute auf beeindruckende Weise die große Lücke zwischen Kristallspektrometern, die zwar ein exzellentes Auf­lösungsvermögen besitzen, aber auf einen kleinen Wellenlängenbereich eingeschränkt sind, und breitbandigen Ionisationsdetektoren, deren Auflösungsvermögen deutlich schlechter ist. Die derzeit führenden Mikrokalorimeter verwenden Temperatursensoren auf der Basis von supraleitenden Phasenübergangssensoren (TES), hochdotierten Halbleiter-Thermistoren (NTD) und metallischen Paramagneten (MMC) [1]. Die maßgeblich am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg vorangetriebenen magnetischen Kalorimeter (MMC) zeichnen sich gegenüber TES- und NTD-basierten Detektoren insbesondere durch die einzigartige Kombination aus hoher Energieauflösung, kurzer Signalanstiegszeit und exzellenter Linearität aus. Des Weiteren stellt die zuverlässige Modellierbarkeit der Sensoreigenschaften und die damit verbundene Möglichkeit der analytischen Optimierung einen entscheidenden Vorteil dar, um Detektoren für verschiedenste Teilchensorten und Energiebereiche zu entwickeln. Um die notwendigen Betriebstemperaturen von unter 50 mK zu erreichen, kommen trockene 3He/4He-Verdünnungskryostate zum Einsatz, die sich ohne kryogene Flüssigkeiten vollautomatisiert quasi als Ein-Knopf-System betreiben lassen. ...

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