English Title: Metallic magnetic calorimeters for high resolution detection of single photons and energetic molecules

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung metallischer magnetischer Kalorimeter (MMC) zum hochauflösenden Nachweis von einzelnen Röntgenquanten und hochenergetischen Molekülen diskutiert. MMCs sind energiedispersive Teilchedetektoren mit hohem Auflösungsvermögen, die bei Temperaturen unter $0,\!1\,\mathrm{K}$ betrieben werden. Die von einem Teilchen im Detektor deponierte Energie führt zu einer Erhöhung seiner Temperatur und damit zu einer Änderung der Magnetisierung eines paramagnetischen Temperatursensors. Prozent, der guten thermischen Kontakt zum Absorber für die entsprechenden Teilchen hat. Diese Magnetisierungsänderung läßt sich sehr präzise durch ein rauscharmes Magnetometer nachweisen, und dient als Maß für die eingetragene Energie. Der Aufbau und die Funktionsweise von magnetischen Kalorimetern, sowie wichtige Rauschquellen und die erreichbare Energieauflösung dieser Detektoren werden diskutiert. Zwei Detektorprototypen werden vorgestellt und deren Eigenschaften dargelegt. Der eine Detektor eignet sich für Anwendung in der Röntgenfloureszenzanalyse und besitzt eine instrumentelle Energieauflösung von $\Delta E_{\mathrm{FWHM}}=3,\!4\eV$ bei einer Quanteneffizienz von über $98%%$ für Röntgenquanten mit $6\keV$. Der andere Detektor besitzt einen großflächigen Sensor und wurde für die Detektion hochenergetischer Atome und Molekülfragmente entwickelt. Der Nachweis einzelner Teilchen mit einer Energieauflösung von $\Delta E_{\mathrm{FWHM}}=920\,\eV$ wurde demonstriert.

Translation of abstract (English)

This thesis describes the development of metallic magnetic calorimeters (MMC) for high resolution detection of single x-ray photons and energetic molecules. MMCs are energy dispersive particle detectors, which work at temperatures below \wme{0.1}{K}. Deposition of energy in the detector causes a rise in temperature and results in a change of magnetization of a paramagnetic temperature sensor. The change in magnetization can be detected with high accuracy using a low-noise magnetometer and acts as a measure of the absorbed energy. The setup and the principle of operation of magnetic calorimeters, as well as the major noise contributions and the achiveable energy resolution of these detectors are discussed. Two prototype detectors and their performences are presented. One detector is a micro-calorimeter which is well-suited for application in high resolution x-ray spectroscopy. The detector has an energy resolution of $\Delta E_{\mathrm{FWHM}}=3.4\eV$ und a quantum efficiency of almost 100%% for photon energies up to $6\keV$. The second detector consists of a large area sensor and targets the use in the observation of atoms and molecule fragments having kinetic energies up to \wme{100}{keV}. The feasibility of single particle detection with an energy resolution of $\Delta E_{\mathrm{FWHM}}=920\eV$ is demonstrated.