DE102004054750A1 - Detector device for very low temperatures has a sensor cooled by a pulsed multi-tubular cooler and cooling devices in a vacuum pot - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kryodetektorvorrichtung gemäß Anspruch 1.The The invention relates to a cryodetector device according to claim 1.
Derartige Detektorvorrichtungen mit einem auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor, der in einer ersten Kühlstufe mittels eines Pulsröhrenkühlers gekühlt wird, hat einen großen Einsatzbereich in analytischen Anwendungen, bei der Teilchen, Strahlung oder Felder mit hoher Energieauflösung und/oder hoher Zeitauflösung an beliebigen Orten untersucht werden sollen.such Detector devices with a low temperature effect based Sensor in a first cooling stage is cooled by means of a pulse tube cooler, has a big one Application in analytical applications, particle, radiation or fields with high energy resolution and / or high time resolution to be examined at any location.
Zum Kühlen von Sensoren, die auf einem Tieftemperatureffekt basieren (Kryosensoren oder Kryodetektoren), werden im Stand der Technik Kryostaten verwendet, die eine erste Kühleinrichtung und eine zweite Kühleinrichtung, die von der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt wird, aufweisen, wobei der Sensor an die zweite Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist. Zur Erzeugung einer Temperatur von ungefähr 4K besteht die erste Kühleinrichtung dabei meist aus einem gekoppelten Stickstoff/Helium-Kühler. Dieser ist verfahrens- und vorrichtungstechnisch sehr aufwendig und braucht viel Platz. Des weiteren ist das benötigte flüssige Kühlmittel (Stickstoff, Helium) zum einen teuer und zum anderen nicht überall verfügbar. Aus diesem Grund ist es der Einsatz von Sensoren, die auf einem Tieftemperatureffekt basieren, für industrielle Zwecke relativ unrentabel und deshalb ungeeignet.To the Cool of sensors based on a low-temperature effect (cryosensors or cryodetectors), cryostats are used in the prior art, a first cooling device and a second cooling device, that of the first cooling device pre-cooled is, wherein the sensor to the second cooling device thermally coupled. To generate a temperature of about 4K the first cooling device mostly from a coupled nitrogen / helium cooler. This is process and device technology very expensive and needs lots of space. Furthermore, the required liquid coolant (nitrogen, helium) on the one hand expensive and on the other hand not everywhere available. That's why It's the use of sensors that have a low temperature effect based, for Industrial purposes relatively unprofitable and therefore unsuitable.
Aus Info-Phys-Tech Nr.6, 1996, aus VDI Technologiezentrum, Physikalische Technologien, ist eine Kältemaschine in Form eines Pulsröhrenkühlers bekannt, wobei der Pulsröhrenkühler der aufweist: ein Pulsrohr, an dessen einem Ende ein kalter Wärmetauscher, an dem Wärme von außen aufgenommen wird, vorgesehen ist, und an dessen anderem Ende ein warmer Wärmetauscher, an dem Wärme nach außen abgegeben wird, vorgesehen ist, einen Regenerator, der als Wärmezwischenspeicher dient, und einen Druckoszillator, der dazu dient, periodische Druckänderungen zu erzeugen, wobei das Pulsrohr an dem Ende, an dem der kalte Wärmetauscher vorgesehen ist, über jeweilige Leitungen über den Regenerator mit dem Druckoszillator verbunden ist, so daß eine periodische Verschiebung eines Arbeitsgases zwischen dem Pulsrohr und dem Druckoszillator ermöglicht wird.Out Info-Phys-Tech No. 6, 1996, from VDI Technology Center, Physical Technologies, is a chiller in the form of a pulse tube cooler, the pulse tube cooler of comprising: a pulse tube having at its one end a cold heat exchanger, on the heat from the outside is provided, is provided, and at the other end a warm heat exchanger, after the heat Outside is provided, a regenerator, as a heat buffer serves, and a pressure oscillator, which serves to periodic pressure changes with the pulse tube at the end at which the cold heat exchanger is provided over respective lines over the Regenerator is connected to the pressure oscillator, so that a periodic Displacement of a working gas between the pulse tube and the pressure oscillator allows becomes.
Aus
der
Ausgehend
von der
Diese Aufgabe wird durch eine Kryodetektorvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a cryodetector device according to the features of claim 1.
Die Kryodetektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Kühlsystem mit einer ersten Kühleinrichtung zum Bereitstellen einer mittleren Kühltemperatur Tm und einer zweiten Kühleinrichtung zum Bereitstellen einer unteren Kühltemperatur Tu. Hierbei wird die zweite Kühleinrichtung durch die erste Kühleinrichtung vorgekühlt. Die erste Kühleinrichtung umfaßt einen ersten Pulsröhrenkühler, der von Umgebungstemperatur auf eine obere Kühltemperatur To kühlt, und einen zweiten Pulsröhrenkühler, der von Umgebungstemperatur auf die mittlere Kühltemperatur Tm kühlt. Die kalte Seite des ersten Pulsröhrenkühlers ist mit einem ersten Kälteschild und die kalte Seite des zweiten Pulsröhrenkühlers ist mit einem zweiten Kälteschild verbunden. Ferner weist die Kryodetektorvorrichtung eine Detektoreinrichtung zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern mit einem auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor auf, wobei die Detektoreinrichtung an die zweite Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist.The cryodetector device according to the present invention comprises a cooling system having a first cooling device for providing a mean cooling temperature T m and a second cooling device for providing a lower cooling temperature T u . In this case, the second cooling device is pre-cooled by the first cooling device. The first cooling means comprises a first pulse tube refrigerator which cools from ambient temperature to an upper cooling temperature T o , and a second pulse tube refrigerator which cools from ambient temperature to the mean cooling temperature T m . The cold side of the first pulse tube refrigerator is connected to a first cold shield and the cold side of the second pulse tube refrigerator is connected to a second cold shield. Furthermore, the cryodetector device has a detector device for detecting particles, radiation or fields with a sensor based on a low-temperature effect, wherein the detector device is thermally coupled to the second cooling device.
Durch
diesen Aufbau wird wie bei dem Stand der Technik nach der
Sowohl
der erste Pulsröhrenkühler als
auch der zweite Pulsröhrenkühler kühlen von
Umgebungstemperatur auf ihre jeweilige Kühltemperatur To bzw. Tm, d. h. der zweite Puzlsröhrenkühler wird
im Gegensatz zum Stand der Technik nach
Ein weiterer Vorteil ist die Einsparung von elektrischer Leistung, da zu erwarten ist, dass der Pulsrohrkühler gemäß der vorliegenden Erfindung mit weniger Eingangsleistung betrieben werden kann.One Another advantage is the saving of electrical power since it is to be expected that the pulse tube refrigerator according to the present invention with less input power can be operated.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Kühleinrichtung einen dritten oder weitere Pulsröhrenkühler auf. Diese lassen sich ebenfalls in Parallelschaltung entsprechend dem ersten und zweiten Pulsröhrenkühler und/oder in Reihenschaltung zu dem ersten oder zweiten Pulsröhrenkühler anordnen.According to one advantageous embodiment, the first cooling device has a third or other pulse tube coolers. These can also be connected in parallel according to the first and second pulse tube coolers and / or arrange in series with the first or second pulse tube refrigerator.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jeder der Pulsröhrenkühler ein Pulsrohr auf, an dessen einem Ende ein kalter Wärmetauscher, an dem Wärme von außen aufgenommen wird, vorgesehen ist, und an dessen anderem Ende ein warmer Wärmetauscher, an dem Wärme nach außen abgegeben wird, vorgesehen ist. Des weiteren hat der Pulsröhrenkühler einen Regenerator, der als Wärmezwischenspeicher dient, und einen Druckoszillator, der dazu dient, periodische Druckänderungen zu erzeugen. Hierbei ist das Pulsrohr an dem Ende, an dem der kalte Wärmetauscher vorgesehen ist, über jeweilige Leitungen über den Regenerator mit dem Druckoszillator verbunden, so daß eine periodische Verschiebung eines Arbeitgases zwischen dem Pulsrohr und dem Druckoszillator ermöglicht wird. Im Gegensatz zu anderen mechanischen Kühlern hat der Pulsröhrenkühler die vorteilhafte Eigenschaft, daß er sehr vibrationsarm ist.According to one advantageous embodiment, each of the pulse tube cooler Pulse tube on, at one end of a cold heat exchanger, at the heat of Outside is provided, is provided, and at the other end a warm heat exchanger, on the heat outward is provided is provided. Furthermore, the pulse tube cooler has a Regenerator acting as a heat buffer serves, and a pressure oscillator, which serves to periodic pressure changes to create. Here, the pulse tube is at the end where the cold heat exchangers is provided, via respective Lines over the regenerator connected to the pressure oscillator, so that a periodic shift a working gas between the pulse tube and the pressure oscillator allows becomes. Unlike other mechanical coolers, the pulse tube cooler has the advantageous property that he very is low in vibration.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Pulsrohr an dem Ende, an dem der warme Wärmetauscher vorgesehen ist, ferner einen Strömungswiderstand und einen Behälter zur Aufnahme eines Ballastvolumens auf.According to one further advantageous embodiment, the pulse tube at the end, where the warm heat exchanger is provided, further, a flow resistance and a container for receiving a ballast volume.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist jeder der Pulsröhrenkühler ferner eine Sekundärleitung auf, die sich von dem Ende des jeweiligen Pulsrohrs, an dem der warme Wärmetauscher vorgesehen ist, zu der Leitung zwischen dem Druckoszillator und dem Regenerator hin erstreckt und in diese mündet, wobei die Sekundärleitung einen variablen bzw. variabel einstellbaren Strömungswiderstand aufweist.According to one Further advantageous embodiment, each of the pulse tube cooler further a secondary line extending from the end of the respective pulse tube at which the warm heat exchangers is provided to the line between the pressure oscillator and extends to the regenerator and opens into it, the secondary line having a variable or variably adjustable flow resistance.
Die zweite Kühleinrichtung ist vorteilhafterweise an oder in der Nähe des kalten Wärmetauschers eines Pulsröhrenkühlers angeordnet.The second cooling device is advantageously at or near the cold heat exchanger a pulse tube cooler arranged.
Die Detektoreinrichtung kann ferner einen Absorber aufweisen, der an den Sensor thermisch gekoppelt ist und in dem einfallende Teilchen und Strahlung wechselwirken. Der Absorber kann dabei aus einem Dielektrikum oder einem Halbleiter oder einem Metall oder einem Halbmetall oder einer Halbmetallegierung oder einem Supraleiter oder aus einer Kombination der einzelnen Materialien bestehen.The Detector device may further comprise an absorber, the on the sensor is thermally coupled and in the incident particles and radiation interact. The absorber can be made of a dielectric or a semiconductor or a metal or a semi-metal or a semi-metal alloy or a superconductor or a combination consist of individual materials.
Als die zweite Kühleinrichtung wird vorteilhafterweise eine Entmagnetisierungsstufe verwendet. Es kann des weiteren ein 3He/4He-Entmischungskühler oder ein 3He-Kühler oder eine mechanische Kühleinrichtung wie ein Helium-Kompressorkühler oder eine elektrische Kühleinrichtung wie ein Peltierelement oder eine supraleitende Tunneldiode wie eine NIS-Diode eingesetzt werden.As the second cooling means, a demagnetization stage is advantageously used. Furthermore, a 3 He / 4 He demixing cooler or a 3 He cooler or a mechanical cooling device such as a helium compressor cooler or an electric cooling device such as a Peltier element or a superconducting tunnel diode such as an NIS diode can be used.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung ist das Kühlsystem Teil eines Kryostaten, in dem die Detektoreinrichtung untergebracht ist, wobei der Kryostat ferner eine Eintrittsöffnung zum Durchlassen der zu untersuchenden Teilchen und Strahlung vom Äußeren des Kryostaten in das Innere des Kryostaten zu der Detektoreinrichtung aufweist. Außerdem kann der Kryostat eine Fokussierungseinrichtung wie eine Röntgenlinse oder eine Wolter-Anordnung oder eine Fresnellinse oder fokussierende Röhrenbündel oder elektrische Fokussierungseinrichtungen/Defokussierungseinrichtungen oder magnetische Fokussierungseinrichtungen/Defokussierungseinrichtungen aufweisen.According to one further advantageous embodiment of the detector device according to the invention the cooling system Part of a cryostat in which housed the detector device is, wherein the cryostat further comprises an inlet opening for passing the to be examined particles and radiation from the exterior of the cryostat in the Interior of the cryostat to the detector device has. In addition, can the cryostat has a focusing device such as an X-ray lens or a Wolter arrangement or a Fresnel lens or focusing Tube bundle or electric focusing devices / defocusing devices or magnetic focusing devices / defocusing devices exhibit.
Die in der Detektorvorrichtung verwendeten auf einem Tieftemperatureffekt basierende Sensoren, oder auch Kryodetektoren bzw. kryogene Detektoren, sind Sensoren, die durch eine Strahlungs- oder Teilchenabsorption deponierte Energie mittels eines Effektes, der nur oder insbesondere bei tiefen Temperaturen (Betriebstemperaturbereich kleiner als 20 K, vorzugsweise jedoch kleiner als < 4 K) auftritt, messen. Diese Temperaturen werden von eine Wärmesenke bereitgestellt, die an die Detektoreinrichtung, welche einen jeweiligen auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor aufweist, thermisch gekoppelt ist.The cryogenic-based sensors used in the detector device, or cryodetectors or cryogenic detectors, are sensors which store energy deposited by radiation or particle absorption by means of an effect which is only or especially at low temperatures (operating temperature range less than 20 K, preferably but less than <4 K), measure up. These temperatures are provided by a heat sink, which is thermally coupled to the detector device, which has a respective sensor based on a cryogenic effect.
Diese Effekte können sein:
- i) Temperaturerhöhung nach Energiedeposition (Kalorimeter) in einem Absorber (Dielektrikum, Metall, Supraleiter, usw.). Diese Temperaturerhöhung ist umso höher je tiefer die Ausgangstemperatur ist, da die Wärmekapazitäten bei den tiefen Temperaturen abnehmen. Je größer die Temperaturerhöhung ist, desto genauer kann aus ihr die deponierte Energie abgeleitet werden.
- ii) Erzeugung von Phononen (Gitterschwingungen in einem Absorbermaterial) durch die Energiedeposition. Damit diese Gitterschwingungen möglichst stark "hervortreten", d.h., eine genaue Bestimmung der Energie (und eventuell des Ortes der Energiedeposition im Absorber) möglich ist, sollten im Ausgangszustand möglichst wenige Gitterschwingungen vorhanden sein. Je tiefer die Ausgangstemperatur, desto weniger Gitterschwingungen sind vorhanden.
- iii) Erzeugung von Quasiteilchen (Aufbrechen von Cooperpaaren) in einem Supraleiter. Supraleitung ist ein Tieftemperatureffekt. Je tiefer die Übergangstemperatur zur Supraleitung, desto mehr dieser Quasiteilchen werden durch die Energiedeposition erzeugt. Je mehr der Quasiteilchen erzeugt werden, desto genauer kann die Energie bestimmt werden.
- iv) Änderung der Spinausrichtung bzw. Magnetisierung in einem auf tiefe Temperaturen abgekühlten Spinsystem bestehend aus paramagnetischen Ionen aufgrund einer Energiedeposition.
- i) Temperature increase after energy deposition (calorimeter) in an absorber (dielectric, metal, superconductor, etc.). This temperature increase is the higher the lower the initial temperature is, since the heat capacities decrease at the low temperatures. The greater the temperature increase, the more accurately the deposited energy can be derived from it.
- ii) Generation of phonons (lattice vibrations in an absorber material) by energy deposition. So that these lattice vibrations "emerge" as much as possible, ie, an accurate determination of the energy (and possibly the location of the energy deposition in the absorber) is possible, as few lattice vibrations should be present in the initial state. The lower the starting temperature, the less lattice vibrations are present.
- iii) Production of quasiparticles (disruption of Cooper pairs) in a superconductor. Superconductivity is a low temperature effect. The lower the transition temperature to superconductivity, the more of these quasiparticles are produced by the energy deposition. The more quasiparticles are produced, the more accurate the energy can be determined.
- iv) Change in the spin orientation or magnetization in a cooled to low temperatures spin system consisting of paramagnetic ions due to an energy deposition.
Um die Temperaturerhöhung, die Gitterschwingungen, die Quasiteilchen (allgemein die Anregungen) bzw. die Änderung der Magnetisierung zu messen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei generell gilt, daß die Anregungen in einem Absorber erzeugt werden und in einem Sensor nachgewiesen werden. Sensor und Absorber können dabei identisch sein. Als Sensoren kommen in Frage:
- a) Supraleitende Phasenübergangsthermometer, wie beispielsweise als Sensor in einem Mikrokalorimeter: Diese bestehen im wesentlichen aus einem Absorber, einem Thermometer (supraleitende Schicht, beispielsweise aus Wolfram, Iridium, Aluminium oder Tantal) und einer Kühleinrichtung bzw. einer Kopplung an eine Wärmesenke. Im Temperaturübergangsbereich zwischen seiner supraleitenden und normalleitenden Phase ändert das Thermometer seinen elektrischen Widerstand sehr stark in Abhängigkeit von der Temperatur, d.h., auch nach Absorption von Gitterschwingungen und Quasiteilchen.
- b) Supraleitende Tunneldioden: Sie bestehen aus zwei überlappenden dünnen supraleitenden Filmen (SIS: Supraleiter-Isolator-Supraleiter, wobei die Filme nicht notwendigerweise aus dem gleichen Supraleiter auf beiden Seiten bestehen müssen) oder einem supraleitenden und einem normalleitenden Film (NIS: Normalleiter-Isolator-Supraleiter), wobei die jeweiligen Filme durch eine dünne elektrisch isolierende Barriere getrennt sind. Die Barriere ist so dünn, daß sie quantenmechanisches Tunneln von Elektronen, bzw. Quasiteilchen von der einen Elektrode zur anderen erlauben. Wird die NIS-Diode oder SIS-Diode unterhalb der Sprungtemperatur der jeweiligen Supraleiter betrieben, und ist die angelegte Spannung kleiner als die der supraleitenden Energielücke entsprechenden Spannung (NIS) bzw. kleiner als zweimal diese Spannung (SIS), so steigt der über die Barriere fließende Strom, wenn in der Tunneldiode Energie deponiert wird. Die Deposition der Energie kann durch Temperaturerhöhung, Absorption von Gitterschwingungen oder Quasiteilchen oder direkt durch Absorption von Strahlung oder Teilchen geschehen.
- c) Thermistor, wie NTD-Thermometer (NTD: "Neutron Transmutation Doping", d.h., mit Neutronen hochdotierter Halbleiter). Diese Thermometer können zum Messen von Temperaturschwankungen verwendet werden, da bei ihnen, wie bei allen Halbleitern der Widerstand mit sinkender Temperatur zunimmt. Um zu vermeiden, daß bei sehr tiefen Temperaturen die Widerstände so hoch anwachsen, daß sie nicht mehr mit genügender Genauigkeit gemessen werden können, werden die verwendeten Halbleiter hochdotiert, wodurch ihr Widerstand abgesenkt wird.
- d) Magnetische Bolometer. Diese Sensoren, die eine schwache thermische Kopplung an ein Kältebad bzw. eine Wärmesenke mit einer Temperatur vorzugsweise im Millikelvinbereich haben, umfassen eine schwache Konzentration von paramagnetischen Ionen in einem magnetischen Feld. Als derartige Ionen werden vorteilhafterweise Ionen von seltenen Erden, wie beipsielsweise von Erbium (Er3+), verwendet. Wenn ein kleiner Energiebetrag, beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung, in einem derartigen Sensor deponiert wird, verursacht der Temperaturanstieg eine Änderung der Magnetisierung des von den paramagnetischen Ionen gebildeten Paramagneten, die beispielsweise unter Verwendung einer Spule, die an einen Eingang eines SQUIDs angeschlossen ist, gemessen werden kann. Vorteilhafterweise ist an das magnetische Bolometer ein Absorber thermisch gekoppelt.
- a) Superconducting phase transition thermometers, such as a sensor in a microcalorimeter: These consist essentially of an absorber, a thermometer (superconducting layer, such as tungsten, iridium, aluminum or tantalum) and a cooling device or a coupling to a heat sink. In the temperature transition range between its superconducting and normal-conducting phase, the thermometer changes its electrical resistance very strongly as a function of the temperature, that is, even after absorption of lattice vibrations and quasiparticles.
- b) Superconducting tunnel diodes: They consist of two overlapping thin superconducting films (SIS: superconductor-insulator superconductor, where the films do not necessarily have to consist of the same superconductor on both sides) or a superconducting and a normal-conducting film (NIS: normal conductor insulator Superconductor), the respective films being separated by a thin electrically insulating barrier. The barrier is so thin that it allows quantum mechanical tunneling of electrons or quasiparticles from one electrode to another. If the NIS diode or SIS diode is operated below the transition temperature of the respective superconductors, and the applied voltage is less than the voltage corresponding to the superconducting energy gap (NIS) or less than twice this voltage (SIS), the voltage across the barrier increases flowing electricity when energy is deposited in the tunnel diode. The deposition of energy can be done by increasing the temperature, absorbing lattice vibrations or quasiparticles or directly by absorbing radiation or particles.
- c) Thermistor, such as NTD thermometer (NTD: "Neutron Transmutation Doping", ie with neutrons highly doped semiconductors). These thermometers can be used to measure temperature variations since, as with all semiconductors, the resistance increases with decreasing temperature. In order to avoid that at very low temperatures, the resistances grow so high that they can no longer be measured with sufficient accuracy, the semiconductors used are highly doped, whereby their resistance is lowered.
- d) Magnetic bolometers. These sensors, which have a weak thermal coupling to a cold bath or a heat sink with a temperature preferably in the millikelvin range, comprise a weak concentration of paramagnetic ions in a magnetic field. As such ions, ions of rare earths such as erbium (Er 3+ ) are advantageously used. When a small amount of energy, such as electromagnetic radiation, is deposited in such a sensor, the temperature rise causes a change in the magnetization of the paramagnets formed by the paramagnetic ions, measured, for example, using a coil connected to an input of a SQUID can. Advantageously, an absorber is thermally coupled to the magnetic bolometer.
Die Verwendung derartiger kryogener Sensoren bietet mehrere Vorteile. Zum einen ist eine gute Energieauflösung zu nennen, die bei 6 keV Röntgenstrahlung im Bereich von etwa 5 eV und bei 1,5 keV Röntgenstrahlung im Bereich von etwa 3 eV liegt. Neben der guten Energieauflösung der kryogenen Sensoren ist auch deren Detektionseffizienz auch bei niedrigen Energien (kleiner als 2 keV) vorteilhaft. Es kann quasi jedes auf den Sensor einfallende Photon erfaßt und nachgewiesen werden. Außerdem kann ein vorbestimmter Energiebereich von zu analysierenden Teilchen oder Strahlung simultan erfaßt werden und es lassen sich die von den Teilchen bzw. Strahlung im Detektor erzeugten Pulse schnell auslesen, wodurch auch zeitabhängige Phänomene mit kurzer Zeitkonstante beobachtet werden können.The use of such cryogenic sensors offers several advantages. On the one hand, a good energy resolution should be mentioned, which is 6 eV X-radiation in the range of about 5 eV and at 1.5 keV X-radiation in the range of about 3 eV. ne ben the good energy resolution of the cryogenic sensors and their detection efficiency even at low energies (less than 2 keV) is advantageous. It can be detected and detected virtually any incident on the sensor photon. In addition, a predetermined energy range of particles or radiation to be analyzed can be detected simultaneously and the pulses generated by the particles or radiation in the detector can be read out quickly, as a result of which time-dependent phenomena with a short time constant can also be observed.
Zur Verbesserung der Auslesegeschwindigkeit bzw. zum Einstellen einer optimalen Betriebstemperatur des Detektoreinrichtung bzw. des Sensors, ist vorteilhafterweise eine Heizeinrichtung vorgesehen, die an die Detektoreinrichtung thermisch gekoppelt ist. Liegt die Temperatur bzw. der Temperaturbereich des Kühlsystems bzw. der zweiten Kühleinrichtung unterhalb der für den jeweiligen kryogenen Sensor optimalen Temperatur, bzw. schwankt die bereitgestellte Kühltemperatur, so läßt sich durch Regelung der durch die Heizeinrichtung dem Sensor zugeführten Energie eine optimale Betriebstemperatur einstellen. Ferner bietet die Einstellung einer Temperatur oberhalb der von der Kühleinrichtung bereitgestellten Temperatur die Möglichkeit der "aktiven Kühlung". Dabei versteht man die Wegnahme der Heizleistung bei einer in der Sensoreinrichtung stattfindenden Energiedeposition eines einfallenden Teilchens bzw. einfallender Strahlung. Durch die schnelle Rückstellung der Sensoreinrichtung auf die vorbestimmte optimale Betriebstemperatur läßt sich auf diese Weise eine Signalbeschleunigung und somit eine Verbesserung der Auslesegeschwindigkeit erzielen.to Improvement of the readout speed or for setting a optimal operating temperature of the detector device or the sensor, Advantageously, a heating device is provided, which is connected to the Detector device is thermally coupled. Is the temperature or the temperature range of the cooling system or the second cooling device below the for the respective cryogenic sensor optimum temperature, or fluctuates the provided cooling temperature, that's how it works by controlling the energy supplied by the heater to the sensor set an optimal operating temperature. Furthermore, the setting offers a temperature above that provided by the cooling device Temperature the possibility the "active cooling". It understands one the removal of the heating power at one in the sensor device taking place energy deposition of an incident particle or incident radiation. Due to the quick reset of the sensor device to the predetermined optimum operating temperature can be in this way a signal acceleration and thus an improvement to achieve the readout speed.
Zum Erfassen von Magnetfeldern bzw. dessen Änderungen können auch SQUIDs ("Superconducting Quantum Interference Device", supraleitende Quanten-Interferenz-Vorrichtungen) als Sensoren verwendet werden.To the Detecting magnetic fields or their changes can also SQUIDs ("Superconducting Quantum Interference Device ", superconducting quantum interference devices) are used as sensors become.
Die Detektoreinrichtung kann ferner eine Vielzahl von Sensoren aufweisen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn zwei verschiedenartige Sensoren verwendet werden, deren Energieauflösung in jeweils verschiedenen Energiebereichen unterschiedlich gut ist.The Detector device may further comprise a plurality of sensors. This is advantageous, for example, if two different types Sensors are used, their energy resolution in each case different Energy ranges is different good.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.Further Details, features and advantages of the invention will become apparent the following description of preferred embodiments with reference to the drawing.
Es zeigen:It demonstrate:
Gesamtsystemoverall system
Es
sei dabei zunächst
auf
Der
erste Pulsrohrkühler
PulsröhrenkühlerPulse tube cooler
Im
folgenden wird der Aufbau und die Wirkungsweise eines Pulsröhrenkühlers beschrieben. Dabei
zeigt
Der
Kühleffekt
beim Pulsröhrenkühler beruht auf
der periodischen Druckänderung
und Verschiebung ("Pulsieren") eines Arbeitsgases
in einem dünnwandigen
Zylinder mit Wärmetauschern
an beiden Enden, dem sogenannten Pulsrohr
Zur
Erzeugung der Druckoszillation wird, wie es in
In
der ersten Ausgestaltung des Pulsröhrenkühlers
Zur
mechanischen Entkopplung und zur Reduzierung von elektromagnetischen
Störungen
können
der eigentliche Kühler
und das Rotationsventil über
eine flexible Kunststoffleitung
Ein
reale Geometrie eines Pulsröhrenkühlers ist
in einer schematischen Querschnittsansicht in
Es
ist ferner denkbar, daß anstelle
der zwei getrennten Ballastvolumina ein gemeinsames Ballastvolumen
verwendet wird. Der erste Kaltkopf
Zweite KühleinrichtungSecond cooling device
Die
zweite Kühleinrichtung
umfaßt
einen Magneten
Des
weiteren sind die Entmagnetisierungsstufe und die Detektoreinrichtung
Der
zweite Kälteschild
Die Kühlsysteme der erfindungsgemäßen Kryodetektorvorrichtung, die Pulsröhrenkühler aufweisen, sind aufgrund der fehlenden beweglichen Teile sehr vibrationsarm und deshalb auch besonders gut für die Kühlung von empfindlichen Sensoren wie SQUIDs geeignet.The cooling systems the cryodetector device according to the invention, having pulse tube coolers, are very low vibration due to the lack of moving parts and therefore especially good for the cooling from sensitive sensors like SQUIDs.
Detektoreinrichtungdetector device
Als Detektoreinrichtung in einer erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung kann beispielsweise ein Mikrokalorimeter eingesetzt werden, dessen Sensor ein Phasenübergangsthermometer ist. Allgemein umfaßt dabei ein Mikrokalorimeter eine Sensoreinrichtung bestehend aus einem Thermometer, das ein supraleitendes Material mit einem eine endliche Breite aufweisenden Übergangstemperaturbereich von der normalleitenden in die supraleitende Phase aufweist, wobei die Sprungtemperatur in der Mitte des Übergangstemperaturbereichs liegt und der elektrische Widerstand des supraleitenden Materials innerhalb des Übergangstemperaturbereichs mit wachsender Temperatur ansteigt. Ferner weist das Mikrokalorimeter einen Absorber auf, der an das Thermometer thermisch gekoppelt ist und in dem einfallende Teilchen oder Strahlung wechselwirkt. Eine Kühleinrichtung ist zum Bereitstellen einer Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Thermometers vorgesehen, wobei durch eine Heizeinrichtung der Temperaturarbeitspunkt des Thermometers innerhalb des Übergangstemperaturbereichs einstellbar ist. Zum Registrieren einer Widerstandsänderung aufgrund von einfallenden Teilchen oder Strahlung ist eine Ausleseelektronik, die elektrisch bzw. magnetisch mit dem Thermometer verbunden ist und den durch das Thermometer fließenden Strom erfaßt vorgesehen. Zur Minimierung der aufzubringenden Kühlleistung sind die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung vorteilhafterweise getrennt voneinander an die Sensoreinrichtung thermisch gekoppelt. Zur Verbesserung der Signalbeschleunigung kann die Kühleinrichtung oder die Heizeinrichtung oder beide gleichzeitig flächig mit der Sensoreinrichtung thermisch gekoppelt sein. Flächige thermische Kopplung heißt hierbei, daß die Kopplung über eine ausgedehnte Kontaktfläche und nicht nur quasi-punktförmig wie bei Bonddrähten erfolgt.When Detector device in a detector device according to the invention can For example, a microcalorimeter are used whose sensor a phase transition thermometer is. Generally included while a microcalorimeter consists of a sensor device a thermometer that has a superconducting material with a finite width transition temperature range from the normal conducting to the superconducting phase, wherein the transition temperature in the middle of the transition temperature range is and the electrical resistance of the superconducting material within the transition temperature range increases with increasing temperature. Furthermore, the microcalorimeter points an absorber thermally coupled to the thermometer and in which incident particles or radiation interact. A cooling device is to provide an operating temperature below the transition temperature provided by the thermometer, wherein by a heating device of Temperature operating point of the thermometer within the transition temperature range is adjustable. To register a resistance change due to of incident particles or radiation is readout electronics, which is electrically or magnetically connected to the thermometer and detected by the current flowing through the thermometer. To minimize the cooling power to be applied, the cooling device and the heater advantageously separated from each other the sensor device thermally coupled. To improve the Signal acceleration can be the cooling device or the heater or both at the same time with be thermally coupled to the sensor device. Flat thermal Coupling means here, that the Coupling over an extended contact area and not just quasi-point-shaped as with bonding wires he follows.
Die
Dabei
zeigt
- 1010
- erste Kühleinrichtungfirst cooling device
- 2020
- zweite Kühleinrichtungsecond cooling device
- 3030
- Detektoreinrichtungdetector device
- 4040
- Vakuumtopfvacuum pot
- 5050
- SchnittstelleneinrichtungInterface device
- 6060
- Kältefingercold finger
- 7070
- Eintrittsfensterentrance window
- 102102
- erster Pulsrohrkühlerfirst Pulse tube cooler
- 104104
- erstes Pulsrohrfirst pulse tube
- 106106
- erster Regeneratorfirst regenerator
- 108108
- erster Kaltkopffirst cold head
- 110110
- erstes Kälteschildfirst cold shield
- 112112
- zweiter Pulsrohrkühlersecond Pulse tube cooler
- 114114
- zweites Pulsrohrsecond pulse tube
- 116116
- zweiter Regeneratorsecond regenerator
- 118118
- zweiter Kaltkopfsecond cold head
- 120120
- zweiter Kälteschildsecond cold shield
- 8080
- Druckoszillatorpressure oscillator
- 802802
- Kompressorcompressor
- 804804
- Drehventilrotary valve
- 130130
-
warmes
Ende von
104 ,114 warm end of104 .114 - 132132
- BalastvolumenBalastvolumen
- 134134
- Strömungswiderstand, NadelventilFlow resistance, needle valve
- 136136
- zweiter Einlaß, Ventilsecond Inlet, Valve
- 138138
- flexible Gasleitungflexible gas pipe
- 140140
- zu kühlende Objekteto cooling objects
- 142142
- VakuumisoliergefäßVakuumisoliergefäß
- 144144
- Gaseinlassegas inlets
- 150150
- Magnetmagnet
- 152152
- Salzpillesalt pill
- 154154
- KevlarfädenKevlar fibers
- 156156
- Spannvorrichtungjig
- 158158
- Wärmeschalterthermal switch
- 160160
- Magnetschildmagnetic shield
- 201201
- Thermometer (supraleitender Film)thermometer (superconducting film)
- 202202
- Absorberabsorber
- 222,223222.223
- Goldheizergold heater
- 230230
- Substratsubstratum
- 235, 236235 236
- Aluminiumbondpads am ThermometerAluminiumbondpads on the thermometer
- 237, 238237, 238
- Aluminiumbondpads am GoldheizerAluminiumbondpads at the gold heater
- 245, 246245, 246
- supraleitende Auslesedrähte am Thermometersuperconducting elite wires on the thermometer
- 247, 248247, 248
- supraleitende Drähte an dem Goldheizersuperconducting wires at the gold heater
- TO T o
- obere Kühltemperaturupper cooling temperature
- TM T M
- mittlere Kühltemperaturmiddle cooling temperature
- TU T U
- untere Kühltemperaturlower cooling temperature
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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