English Title: Development of a detector row for high resolution x-ray spectroscopy on highly charged ions made of metallic magnetic calorimeters

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Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Detektorzeile aus acht metallischen magnetischen Kalorimetern (MMC) für die hochaufgelöste Röntgenspektroskopie an hochgeladenen Ionen im Energiebereich bis 30 keV entwickelt. Für den Messbetrieb an einer Electron-Beam-Ion-Trap des MPI-K in Heidelberg wurde ein pulsrohrgekühlter Entmagnetisier-Kryostat in Betrieb genommen und optimiert, der die Kalorimeterzeile auf Temperaturen von unter 30mK kühlt. Jeder Detektor der Zeile besitzt einen Röntgenabsorber mit gutem thermischen Kontakt zu einem paramagnetischen Temperatursensor aus Au:Er, der sich in einem schwachen Magnetfeld befindet. Die im Absorber deponierte Energie eines Röntgenphotons führt zur Erhöhung der Detektortemperatur, welche über die Magnetisierungsänderung des Sensors bestimmt wird. Basierend auf den Ergebnissen einer numerischen Optimierungsrechnung von MMCs mit gradiometrischen, mäanderförmigen Aufnehmerspulen wurden die Kalorimeter der Detektorzeile entwickelt. Jedes Kalorimeter besitzt einen 250 x 250 m2 großen Röntgenabsorber aus 5 mum dickem Gold. Die Detektorzeile wurde mittels lithographischer Dünnschichtverfahren hergestellt. Die thermodynamischen Eigenschaften der hergestellten Au und Au:Er Schichten stimmen nahezu mit den entsprechenden Werte von Vollmaterial überein. Das hauptsächlich thermische Übersprechen zwischen den Pixeln der Detektorzeile ist aufgrund der Verschaltung zu Temperatursensorpaaren mit jeweils gradiometrischer Aufnehmerspule soweit unterdrückt, dass der Einfluss auf die erreichbare Energieauflösung vernachlässigbar ist. Die Energieauflösung bei einer Röntgenenergie von 6 keV beträgt E_FWHM = 3,4 eV.

Translation of abstract (English)

In this work a detector row made of eight metallic magnetic calorimeters (MMC) for high resolution x-ray spectroscopy in the energy range up to 30 keV was developed. A PTR-cooled adiabatic demagnetization cryostate was equipped and optimized to operate the detector row at T < 30mK at an Electron-Beam-Ion-Trap. Each detector of this row posesses an x-ray absorber, with good thermal contact to a paramagnetic temperature sensor which is placed in a weak magnetic field. The energy deposited in the absorber by incident x-rays leads to a rise of the detector temperature and can be determined by the change of magnetization in the sensor. Based on the results of a numerical optimization of MMCs with gradiometric, planar, meander-shaped pickupcoils the calorimeters of the detector row were developed. Each pixel consistsof an 5 mum thick x-ray absorber made of gold with an area of 250 x 250 m2. The detector row was micro fabricated by means of lithographic thin-film processes. The thermodynamic properties of the deposited Au and Au:Er layers are close to the values of those for the corresponding bulk material. Due to the connection of the temperature sensors to pairs with gradiometric pick-up coils the thermal inter-pixel cross-talk in the detector row was suppressed to a level that does not affect the achievable energy resolution. An energy resolution for x-ray energies up to 6 keV of E_FWHM = 3,4 eV was found.