English Title: maXs-200: Development and characterization of an x-ray detector based on magnetic calorimeters for high-resolution spectroscopy of highly charged ions

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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein aus vier magnetischen Kalorimetern bestehender Detektor für den energiedispersive Nachweis einzelner Röntgenphotonen entwickelt. Der hier vorgestellte Detektor stellt den Prototyp einer Komponente des Röntgendetektors maXs dar, welcher zur hochaufgelösten Röntgenspektroskopie an hochgeladenen Ionen im Energiebereich bis 200 keV eingesetzt werden soll. Die magnetischen Kalorimeter besitzen einen 140 μm dicken Röntgenabsorber aus Gold mit einer aktiven Fläche von 1 mm², der in gutem thermischen Kontakt zu einem paramagnetischen Temperatursensor steht. Dieser besteht aus einer Gold-Erbium-Legierung und befindet sich in einem schwachen Magnetfeld. Infolge der Absorption eines Röntgenphotons ändert sich die Temperatur des Kalorimeters und damit die Magnetisierung des Paramagneten proportional zur deponierten Energie. Diese Änderung wird mit einer mäanderförmigen Aufnahmespule detektiert und mithilfe eines SQUID-Magnetometers verstärkt. Basierend auf numerischen Simulationen wurde die Geometrie des vorgestellten magnetischen Kalorimeters optimiert, um eine möglichst hohe Energieauflösung zu gewährleisten. Die Herstellung des Detektors erfolgte als achtlagige Schichtstruktur mithilfe von Mikrostrukturierungsprozessen. Der Detektor wurde hinsichtlich seiner thermodynamischen Eigenschaften untersucht und zeigt eine gute Übereinstimmung mit den theoretisch zu erwartenden Werten. Die Energieauflösung des Detektors wurde zu DeltaE_FWHM = 41 eV bei einer Photonenergie von 5,9 keV und zu DeltaE_FWHM = 62 eV bei 59,5 keV bestimmt.

Translation of abstract (English)

This thesis describes the development of an energy dispersive detector for single X-ray photons based on four magnetic calorimeters. The presented detector represents a prototype component of the X-ray detector maXs which will be utilized for high-resolution X-ray spectroscopy of highly charged ions in the energy range up to 200 keV. The magnetic calorimeters consist of a 140 μm thick X-ray absorber made of gold with an active area of 1 mm². It is in good thermal contact to a paramagnetic temperature sensor composed of a gold erbium alloy located in a weak magnetic field. Upon the absorption of an X-ray photon the temperature of the detector and thus the magnetization of the paramagnet changes proportional to the deposited energy. This change is detected with a meander-shaped pickup coil and amplified with a SQUID magnetometer. Based on numerical simulations, the geometry of the presented magnetic calorimeter was optimized in terms of energy resolution. The device was produced in an eight-layer structure using microfabrication techniques. The thermodynamical properties of the detector were analyzed and showed good agreement with the expected theoretical values. The energy resolution was determined to DeltaE_FWHM = 41 eV at an X-ray energy of 5.9 keV and DeltaE_FWHM = 62 eV at 59.5 keV.