High-resolution metallic magnetic calorimeters for β-spectroscopy [beta-spectroscopy] on _1hn1_1hn8_1hn7Rhenium and position resolved X-ray spectroscopy [Elektronische Ressource] / presented by Jan-Patrick Porst

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Dissertationsubmitted to theCombined Faculties of the Natural Sciences and Mathematicsof the Ruperto-Carola-University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.-Phys. Jan-Patrick Porstborn in PretoriastOral examination: February 1 , 2011High-Resolution Metallic Magnetic Calorimetersfor187β-Spectroscopy on RheniumandPosition Resolved X-Ray SpectroscopyReferees:Prof. Dr. C. EnssProf. Dr. K. BlaumThis thesis describes the development of metallic magnetic calorimeters (MMCs) for high reso-lution spectroscopy. MMCs are energy dispersive particle detectors based on the calorimetricprinciple which are typically operated at temperatures below 100mK. The detectors make useof a paramagnetic temperature sensor to transform the temperature rise upon the absorptionof a particle in the detector into a measurable magnetic flux change in a dc-SQUID.The application of MMCs for neutrino mass measurements and their advantages with respectto other approaches are discussed. In view of this application the development of an MMC187optimized for β-endpoint spectroscopy on rhenium is presented. A fully micro-fabricated X-raydetectorischaracterizedandperformsclosetodesignvalues.Furthermore,anewtechniqueto more efficiently couple rhenium absorbers mechanically and thermally to the sensor wasdeveloped and successfully tested.

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Published 01 January 2011
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties of the Natural Sciences and Mathematics
of the Ruperto-Carola-University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.-Phys. Jan-Patrick Porst
born in Pretoria
stOral examination: February 1 , 2011High-Resolution Metallic Magnetic Calorimeters
for
187β-Spectroscopy on Rhenium
and
Position Resolved X-Ray Spectroscopy
Referees:
Prof. Dr. C. Enss
Prof. Dr. K. BlaumThis thesis describes the development of metallic magnetic calorimeters (MMCs) for high reso-
lution spectroscopy. MMCs are energy dispersive particle detectors based on the calorimetric
principle which are typically operated at temperatures below 100mK. The detectors make use
of a paramagnetic temperature sensor to transform the temperature rise upon the absorption
of a particle in the detector into a measurable magnetic flux change in a dc-SQUID.
The application of MMCs for neutrino mass measurements and their advantages with respect
to other approaches are discussed. In view of this application the development of an MMC
187optimized for β-endpoint spectroscopy on rhenium is presented. A fully micro-fabricated X-
raydetectorischaracterizedandperformsclosetodesignvalues.Furthermore,anewtechnique
to more efficiently couple rhenium absorbers mechanically and thermally to the sensor was
developed and successfully tested. By employing a metallic contact, signal rise times faster
than 5μs could be observed with superconducting rhenium absorbers.
In addition to the single pixel detectors, an alternative approach of reading out multiple pi-
xels was developed in this work, too. Here, the individual absorbers have a different thermal
coupling to only one temperature sensor resulting in a distribution of different pulse shapes.
Straightforwardpositiondiscriminationbymeansofrisetimeanalysisisdemonstratedforafour
pixel MMC and a thermal model of the detector is provided. Unprecedented so far, an energy
resolution of less than ΔE <5eV for 5.9keV X-rays was achieved across all absorbers.FWHM
Hochauflosende Metallische Magnetische Kalorimeter¨
187fur die β-Spektroskopie an Rhenium und¨
die ortsaufgeloste Rontgenspektroskopie¨ ¨
In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von hoch-
au߬osenden Metallischen Magnetischen Kalorimetern (MMC) beschrieben. Ein magnetisches
Kalorimeter ist ein energiedispersiver Teilchendetektor, der bei Temperaturen unter 100mK
betrieben wird. Der Energieeintrag wird dabei in Form einer Temperaturand¨ erung und der da-
mit verbundenen Magnetisierungsanderung des paramagnetischen Temperatursensors durch ein¨
sensitives DC-SQUID-Magnetometer nachgewiesen.
Die Verwendung von MMCs zur Neutrinomassenbestimmung durch β-Endpunktspektroskopie
187an Rhenium und die Vorzuge¨ dieser Methode im Vergleich zu anderen Ansatze¨ n wird dis-
kutiert und ein im Hinblick auf diese Anwendung optimierter Detektor vorgestellt. Die Cha-
rakterisierung eines vollst¨andig mikrostrukturierten Ron¨ tgendetektors best¨atigt weitgehend die
Erwartungen an die thermodynamischen Eigenschaften aller Detektorkomponenten. Darub¨ er
hinaus wird ein neues Verfahren beschrieben, das es erlaubt, Rheniumabsorber sowohl mecha-
nisch als auch thermisch sehr gut mit dem Temperatursensor zu verbinden. Mit Hilfe einer
metallischen Verbindung konnen so Signalanstiegszeiten unter 5μs in unterschiedlichen supra-¨
leitenden Rheniumabsorbern beobachtet werden.
Zusatzlic¨ h zu der Entwicklung von Ein-Pixel-Detektoren wird in dieser Arbeit ein Detektor
entwickelt, der es erlaubt mit nur einem Temperatursensor mehrere Absorberelemente auszule-
sen. Die einzelnen Rongtenabsorber sind dafur thermisch unterschiedlich stark an den Sensor¨ ¨
gekoppelt und eine Energieabsorption in dem jeweiligen Absorber fuhrt zu verschiedenen Si-¨
gnalanstiegszeiten. Fur einen Detektor mit vier Absorbern wird mit Hilfe einer Analyse der¨
Signalanstiegszeiten eine eindeutige Pixelzuordnung nachgewiesen, zudem wird ein thermisches
Modellfur¨ diesenDetektortypdargestellt.Mit5.9keV R¨ontgenquantenkonntefur¨ Energiespek-
tren in allen vier Absorbern eine fu¨r diesen Detektortyp bisher unerreichte Energieauflosung¨
unter ΔE <5eV gemessen werden.FWHMContents
Introduction 1
I Theory
1 Massive Neutrinos 7
1.1 Neutrino oscillation as proof of massive neutrinos. . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Searching for the neutrino mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Neutrino mass determination using single β-decays . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Neutrino mass sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.1 Statisticaly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.2 Detector linewidth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.3 Unresolved pulse pileup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.4 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.5 The optimal interval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5 Conclusion – Outline of a neutrino mass experiment . . . . . . . . . . . 28
2 Theoretical and Experimental Background 31
2.1 Principles of Metallic Magnetic Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Sensor material Au:Er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Absorber types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Down-conversion of energy in a superconductor . . . . . . . . . . . . 38
2.3.2 Rhenium as absorber material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4 Detector readout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.1 Magnetometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.2 Readout geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.3 Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5 Signal, noise and numerical optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.1 Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.2 Noise contributions and noise equivalent power . . . . . . . . . . . . 51
2.6 Position sensitive detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.7 Multiplexing concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
iii Contents
II Experiment
3 Cooling Techniques and Readout 63
3.1 Cryogenics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.1 Adiabatic demagnetization refrigerator . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.2 Dilution refrigerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.3 Temperature control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.4 Wiring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.1 Data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4 Detector Development 69
4.1 Development of an MMC for a rhenium experiment . . . . . . . . . . . 69
4.1.1 Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.2 Detector design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 Design of a four pixel detector – Hydra . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5 Fabrication and Detector Setup 77
5.1 Micro-fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1.1 Rhenium detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1.2 Hydra detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Diffusion welding of rhenium absorbers to the Au:Er sensors . . . . . . 80
5.2.1 Diffusion in copper-gold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3 Detector setup – rhenium experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4 X-ray source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6 Experimental Results 87
6.1 Implementation of superconductors in MMCs . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 Rhenium detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.1 Performance of micro-structured detectors . . . . . . . . . . . . . . 90
6.2.2 Detector with a polycrystalline rhenium foil absorber . . . . . . . . 95
6.2.3 with a large volume rhenium crystal absorber . . . . . . . 104
6.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.3 Hydra detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3.1 Magnetization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3.2 Pulse shapes and position discrimination . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3.3 Thermal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Contents iii
6.3.4 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.3.5 Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3.6 Modeling position sensitive detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.3.7 Testing the model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.8 9 headed Hydra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.3.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Conclusion and Outlook 133
Bibliography 137
Acknowledgments 147iv Contents