DE19817786A1

DE19817786A1 - Mikrokalorimeter

Info

Publication number: DE19817786A1
Application number: DE1998117786
Authority: DE
Inventors: Franz V Feilitzsch; Jens Hoehne; Josef Jochum; Johann Schnagl
Original assignee: CSP Cryogenic Spectrometers GmbH
Current assignee: Edax Inc
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 1999-11-04
Also published as: DE29823004U1; WO1999054696A1; EP1073888A1; AU3421799A

Abstract

Offenbart ist ein Mikrokalorimeter bzw. eine Gruppe von Mikrokalorimetern, die ein Sensorbauteil, bestehend aus einem Thermometer mit einem supraleitenden Material und aus einem an das Thermometer thermisch gekoppelten Absorber, eine Kühleinrichtung, eine Heizeinrichtung und eine Ausleseeinrichtung, aufweisen, wobei die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung getrennt voneinander an das Sensorbauteil thermisch gekoppelt sind und zumindest die Kühleinrichtung flächig mit dem Sensorbauteil thermisch gekoppelt ist. Durch diese Anordnung läßt sich ein großer dynamischer Bereich bei minimaler Heizleistung einstellen, es kann aber außerdem eine getrennte Optimierung der Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung bewirkt werden, wodurch eine verbesserte Energieauflösung bzw. eine Signalbeschleunigung erreicht wird. Derartige Mikrokalorimeter werden beispielsweise bei der Materialanalyse bzw. Qualitätssicherung mittels Röntgenfluoreszenz-Analyse vorzugsweise in der Halbleiterindustrie eingesetzt, sie eignen sich aber auch zur Bestimmung von Molekülen in der Biotechnologie.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Mikrokalorimeter gemäß An spruch 1, eine Gruppe von Mikrokalorimeter gemäß Anspruch 23 und eine Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strah lung gemäß Anspruch 26.

Derartige Mikrokalorimeter haben einen breiten Anwen dungsbereich. Sie werden beispielsweise bei der Material analyse bzw. Qualitätssicherung mittels Röntgenfluoreszenz- Analyse vorzugsweise in der Halbleiterindustrie eingesetzt, sie eignen sich aber auch zur Bestimmung von Molekülen in der Biotechnologie.

Stand der Technik

Motiviert durch die Erforschung neuer Detektoren zum Erfassen von Teilchen und Strahlung für astrophysikalische bzw. teilchenphysikalische Experimente sind in den letzten Jahren Detektoren entwickelt worden, die auf supraleitenden Effekten basieren.

Mikrokalorimeter: Aufbau, Prinzip

Eine Art dieser Detektoren repräsentieren die sogenann ten Mikrokalorimeter. Sie setzten sich, wie in Fig. 1 zu sehen ist, im wesentlichen aus den Komponenten: Absorber 2, Thermometer 1 und einer Kopplung 5 an eine Wärmesenke bzw. ein Kältebad zusammen.

Das Thermometer 1 ist hierbei ein sogenanntes Phasen übergangsthermometer mit einem supraleitenden Material, das bei einer kritischen Temperatur, der Sprungtemperatur T_C, von der normal leitenden in die supraleitende Phase über geht. Der Übergang vom normalleitenden in den supraleiten den Bereich erfolgt dabei aufgrund von Materialinhomogeni täten nicht abrupt, sondern über einen Bereich ΔT_übergang ei niger mK, wie in Fig. 2 gezeigt ist. In dem Übergangsbe reich mit endlicher Breite ΔT_übergang zeigt der elektrische Widerstand R des supraleitenden Materials eine starke Tem peraturabhängigkeit, wodurch es sich zu einer sehr empfind lichen Temperaturmessung eignet. Als Arbeitspunkt bzw. Ar beitstemperaturpunkt des supraleitenden Materials wird da bei der Punkt größter Steigung bezüglich des Quotienten aus Widerstandsänderung ΔR zu Temperaturänderung ΔT in dem Übergangsbereich gewählt, um eine maximale Sensitivität für Temperaturänderungen ΔT zu erreichen.

Das Funktionsprinzip des Mikrokalorimeters besteht dar in, daß ein Teilchen oder Strahlung auf den Absorber 2 trifft und mit diesem wechselwirkt. Die somit lokal depo nierte Energie ΔE breitet sich dann im Absorber aus, sie thermalisiert, und gelangt schließlich in das mit der Wär mesenke verbundene Thermometer 1. Dort bewirkt sie eine Temperaturerhöhung ΔT und führt zu einer Widerstandsände rung ΔR, die von einer Ausleseelektronik 40, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, erfaßt werden kann.

Die in Fig. 3 stark vereinfacht gezeigte Ausleseelek tronik 40 weist dabei einen Auslesekreis 44 mit zwei paral lel geschalteten Ästen auf, nämliche einen einen Shunt- Widerstand R_S aufweisenden Ast und einen eine magnetische Auslesespule L und dazu in Reihe geschalteten Widerstand R_T, der von dem Thermometer gebildet wird, aufweisenden Ast. Der Auslesekreis 44 wird von einem konstanten Strom I_O gespeist. Deponiert ein Teilchen oder Strahlung Energie im Mikrokalorimeter, so führt dies zu einer Widerstandsände rung im Thermometer R_T, wodurch eine Änderung des Stroms I_T bewirkt wird. Diese Änderung des Stroms wiederum führt zu einer Änderung des Magnetfelds in der Spule L, die schließ lich von einem SQUID 42 ("Superconducting Quantum Interfe rence Device", einer supraleitenden Quanten-Interferenz- Vorrichtung) erfaßt wird. Das auf diese Weise erhaltene Meßsignal ist direkt proportional zur einfallenden Energie ΔE.

US-A-5.641.961

Aus dem amerikanischen Patent US-A-5.641.961 ist ein Tieftemperaturdetektor bekannt, der ein Phasenübergang sthermometer aufweist. Die elektrische Beschaltung der Aus leseelektronik entspricht im wesentlichen der, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Signalentstehung bzw. die Be schleunigung der Signale stellt jedoch eine Besonderheit dar:
Wie in Fig. 4a gezeigt ist, wird die Temperatur der Wärmesenke T_S unterhalb der Sprungtemperatur T_C des Supra leiters bzw. des Thermometers gehalten. Durch eine geeigne te Meßspannung U am Thermometer wird im Thermometer die Leistung P_H = P_joule = U²/R dissipiert, die genau so gewählt ist, daß das Thermometer nun im Übergangsbereich zwischen normalleitendem und supraleitendem Zustand stabilisiert wird, wie es in Fig. 4b gezeigt ist.

Wird, wie es in Fig. 4c zu sehen ist, aufgrund eines einfallenden Teilchens oder einer einfallenden Strahlung das Thermometer erwärmt, so hat dies eine Widerstandserhö hung bzw. Temperaturerhöhung ΔT₊ und damit eine instantane Reduzierung ΔT₋ der Heizleistung entsprechend der Tempera tur im Thermometer zur Folge, welche die Temperatur wieder zurück auf den Arbeitspunkt bringt. Damit wird der Erwär mung direkt entgegengewirkt, was zu einer Verkürzung der Signallänge, d. h. einer Beschleunigung, führt.

Ein Nachteil des Detektors ergibt sich bei der Messung höher energetischer Strahlung aufgrund des begrenzten dyna mischen Bereichs. Wie in Fig. 4a gezeigt worden ist, liegt die Temperatur der Wärmesenke T_S unterhalb der Sprungtempe ratur T_C bzw. unterhalb des Arbeitstemperaturpunkts, so daß durch einen durch das Thermometer fließenden Heizstrom das Thermometer bis zu seinem Arbeitstemperaturpunkt erwärmt werden muß. Je größer nun der Temperaturunterschied zwi schen der Temperatur der Wärmesenke und des Arbeitstempera turpunkts ist, um so größer muß die Heizleistung und der damit verbundene Heizstrom sein. Dieser wiederum ist jedoch begrenzt, da er die für das supraleitende Material des Thermometers spezifische kritische Stromstärke nicht über schreiten darf. Sollen jedoch Teilchen oder Strahlung ge messen werden, die viel Energie deponieren, so muß zunächst die Temperatur der Wärmesenke T_S sehr niedrig eingestellt werden, um eine große Differenz zum Arbeitstemperaturpunkt und damit eine große Heizleistung zu gewährleisten. Je grö ßer die Heizleistung ist, die zur Kompensation von Energie depositionen zurückgefahren werden kann, desto größer kann die Teilchen- bzw. Strahlungsenergie sein, die mit der ver kürzten Signalzeit nachgewiesen werden kann. Da jedoch in dem hier verwendeten Detektor das Thermometer gleichzeitig auch als Heizeinrichtung dient, ist der Heizstrom durch die kritische Stromstärke und deshalb der dynamische Bereich eingeschränkt.

Soll jedoch ein möglichst großer dynamischer Bereich eingestellt werden, so ist eine große Heizleistung bzw. Energiedissipation im Thermometer erforderlich. Nach Umfor mung der oben gezeigten Gleichung für die Heizleistung zu P_joule = I².R ist zu erkennen, daß aufgrund der Begrenzung des Heizstroms bis zur kritischen Stromstärke nur der elek trische Widerstand R variiert werden kann, um die Heizlei stung zu vergrößern. Dieser elektrische Widerstand R ist jedoch von der Länge und Breite des Thermometerfilms abhän gig, so daß für große Widerstandswerte beispielsweise große Längen und kleine Breiten zu wählen sind. Dadurch ergibt sich also eine Beschränkungen der Wahl der Geometrie des Thermometers.

Veröffentlichung von O. Meier

Aus der Veröffentlichung Inst. Phys. Conf. Ser. No 158, Paper presented at Applied Superconductivity, The Nether lands, 30 June-30 July 1997, 1997 IOP Publishing LTD, mit dem Titel, "SQUID-Amplifier for Cryogenic Particle Detec tors based on Superconducting Phase Transition Thermome ters", von O. Meier und anderen ist ein Tieftemperaturkalo rimeter bekannt, das ein Thermometer mit einer von diesem getrennten Heizeinrichtung aufweist.

Fig. 5 zeigt ein Schema der elektrischen Beschaltung eines derartigen Tieftemperaturkalorimeters. Hierbei ist der schon in Fig. 3 erläuterte Auslesekreis 44 mit dem Shunt-Widerstand R_S in dem einen Ast und dem Thermometerwi derstand R_T und der Spule L in dem anderen Ast dargestellt. Des weiteren ist ein Heizwiderstand R_H, der an das Thermo meter R_T thermisch gekoppelt ist und über ein Regelglied 43 mit einem Wurzelzieher 43 und einem herkömmlichen SQUID- System 42 an die Spule L zur Einstellung der Heizleistung gekoppelt ist, gezeigt. Wird das Thermometer durch ein ein fallendes Teilchen oder einfallende Strahlung erwärmt, so wird durch die gerade erwähnte Rückkopplung die Heizlei stung am Widerstand R_H zurückgenommen, um das Thermometer wieder zu dem Arbeitstemperaturpunkt zurückzuführen. Die Signalbeschleunigung erfolgt hier also durch die Rückkopp lung des Heizwiderstands R_H an den Auslesekreis 44.

Durch die Trennung des Thermometers und der Heizein richtung können die oben erwähnten Nachteile des Detektors aus dem amerikanischen Patent US-A-5.641.961 überwunden werden. Aufgrund der Tatsache jedoch, daß die Heizung und Kühlung des Thermometers über einen Bonddraht erfolgt, der sowohl an eine Wärmesenke gekoppelt als auch mit einer Heizstromquelle verbunden ist, ergeben sich folgende Nach teile.

Zum einen weist der als Heizeinrichtung verwendete Bonddraht eine im Vergleich zum Thermometer hohe Wärmekapa zität und durch die quasi punktförmige bzw. lokale Kopplung eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Dies führt zu einer verlangsamten Rückführung des Thermometers auf den Arbeit stemperaturpunkt und somit zu einer verschlechterten Si gnalbeschleunigung (vergleiche hierzu Erläuterungen zu Fig. 4c). Zum anderen ist die Heizleistung verringert, da je nach Kopplung ungefähr die Hälfte der Heizleistung an die Wärmesenke abgegeben wird. Anders ausgedrückt, muß, um ei nen bestimmten dynamischen Bereich zu erhalten, ungefähr die doppelte Heizleistung aufgebracht werden. Die unbeab sichtigte Heizung der Wärmesenke bzw. des Kältebads führt jedoch zu einer Überbeanspruchung des Kältebads und somit zu einer Verringerung der Standzeit.

Darstellung der Erfindung

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mi krokalorimeter zu schaffen, bei dem ein großer dynamischer Bereich bei minimaler Heizleistung einstellbar ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Mikrokalorimeters gemäß Anspruch 1, hinsichtlich der Gruppe von Mikrokalori metern gemäß Anspruch 23 und hinsichtlich der Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung gemäß Anspruch 26 ge löst.

Das Mikrokalorimeter gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Sensorbauteil bestehend aus einem Thermometer mit einem supraleitenden Material und aus einem an das Thermometer thermisch gekoppelten Absorber, eine Kühlein richtung, eine Heizeinrichtung und eine Ausleseeinrichtung. Dadurch, daß die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung separate Einrichtungen sind, die getrennt voneinander an das Sensorbauteil thermisch gekoppelt sind, läßt sich die Heizeinrichtung derart anordnen, daß die von ihr abgegebene Wärme über das Thermometer in die Kühleinrichtung fließt. Dies führt zu einer Minimierung der Heizleistung bzw. zu einer Minimierung der auf zubringenden Kühlleistung durch die Kühleinrichtung, da Heizleistung nicht direkt und unge nutzt an die Kühleinrichtung abgegeben wird. Dadurch, daß zumindest die Kühleinrichtung flächig thermisch mit dem Sensorbauteil gekoppelt ist, erfolgt die Abkühlung des Sen sorbauteils durch die Kühleinrichtung gleichmäßig, was wie derum zu einer Signalbeschleunigung führt. Dies wird zu sätzlich noch durch eine flächige thermische Kopplung der Heizeinrichtung an das Sensorbauteil gefördert. Flächige thermische Kopplung heißt hierbei, daß die Kopplung über eine ausgedehnte Kontaktfläche und nicht nur quasi punktförmig wie bei Bonddrähten erfolgt. Ein weiterer Vor teil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß die Heizeinrichtung bzw. Kühleinrichtung bezüglich Wärmekapazi tät, Wärmeleitfähigkeit oder Geometrie getrennt voneinander optimiert werden können. Beispielsweise kann die flächige Wärmekopplung zwischen dem Thermometer und der Heizeinrich tung auf einen geeigneten Wert gebracht werden, um eine op timale Signalamplitude zu erhalten. Dabei ist es vorteil haft, eine im Vergleich zum Thermometer schlechtere Wärme leitfähigkeit einzustellen, die eine im Vergleich zur Redu zierung der Heizleistung langsamere Energieabfuhr in die Wärmesenke und damit eine große Signalamplitude bzw. Puls höhe bewirkt. Auf diese Weise wird eine gute Energieauflö sung gewährleistet. Die flächige Kopplung bietet aber den entscheidenden Vorteil einer gleichmäßigen Kühlung des Thermometers, wodurch Temperaturgradienten innerhalb des Thermometers vermieden werden und somit wiederum eine Be schleunigung der Signale und eine Steigerung der Energie auflösung erreicht wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Heizeinrichtung dabei ein oder mehrere Heizele mente auf, die an das Sensorbauteil gekoppelt sind. Hier durch ist es möglich, entweder nur das Thermometer oder nur den Absorber mittels eines Heizelements oder gleichzeitig das Thermometer und den Absorber mit jeweils eines Heizele ments zu beheizen. Des weiteren kann eine Vielzahl von Hei zelementen an das Sensorbauteil gekoppelt werden, um eine gleichmäßige Wärmezufuhr zu gewährleisten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wärmekapazität eines Heizelements so di mensioniert, daß sie kleiner oder gleich der Wärmekapazität des Systems aus Thermometer und Absorber ist. Hieraus er gibt sich, daß nur eine geringe Wärmemenge im Heizelement gespeichert werden kann, die bei Erwärmung des Thermometers als Folge einer Energiedeposition eines einfallenden Teil chens oder einer einfallenden Strahlung nach Reduzierung des Heizstroms im Heizelement schnell abgeführt wird. Hier durch kann weiter eine schnelle Rückstellung des Thermome ters in den Arbeitstemperaturpunkt erreicht werden, was ei ne Signalbeschleunigung bewirkt. Diese verbesserte Be schleunigung kann ferner durch eine Optimierung der Wärme leitfähigkeit realisiert werden, die dadurch geschaffen wird, daß ein Heizelement von einem mit einer Heizstromquelle verbundenen Heizfilm gebildet wird, der flächig auf dem Sensorbauteil aufgebracht ist. Als vorteilhaft erweist sich hierbei, den Heizfilm mäanderförmig auszubilden. Statt ei nen Heizfilm aufzubringen ist es auch möglich, daß das Hei zelement von einem mit einer Heizstromquelle verbundenen Widerstandselement gebildet wird, das auf das Sensorbauteil aufgeklebt ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühleinrichtung zur Kopplung an das Sensorbauteil beispielsweise ein Substrat, eine elektrisch isolierende Schicht oder eine Membran auf. Die Vorteile der Membran liegen dabei darin, daß sie im Vergleich zum Substrat eine schwächere, jedoch trotzdem gleichmäßige thermische Kopplung des Thermometers an die Wärmesenke er möglicht. Des weiteren ergibt sich bei der Messung von Röntgenstrahlung der Vorteil, daß unterhalb des Thermome ters die Wahrscheinlichkeit einer Absorption aufgrund der geringen Dicke im Vergleich zum Substrat sehr minimiert ist. Somit ergibt sich im Gegensatz zum Substrat, keine Verschlechterung der Energieauflösung aufgrund störender Signale.

Um eine große Signalamplitude und somit auch eine gute Energieauflösung von im Absorber auftretenden Ereignissen am Thermometer registrieren zu können, ist es notwendig, eine gute Kopplung der beiden Komponenten zu gewährleisten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das Thermometer di rekt auf dem Absorber aufgebracht ist. Ist hingegen eine Ortsauflösung des im Absorber auftretenden Ereignisses ge wünscht, so wird der Absorber über eine Verbindungseinrich tung lokal an das Thermometer gekoppelt. Die Verbindungs einrichtung kann dabei ein Bonddraht sein, der Absorber und Thermometer miteinander verbindet. Es ist aber auch mög lich, Absorber und Thermometer so nebeneinander anzuordnen, daß auch wiederum nur eine lokale Kopplung ausgebildet wird.

Für eine verbesserte Ortsauflösung eines im Absorber auftretenden Ereignisses ist es gemäß einer weiteren vor teilhaften Ausgestaltung der Erfindung möglich, das Thermo meter mit einer Vielzahl von Thermometerelementen auszubil den, die jeweils an verschiedenen Stellen an den Absorber gekoppelt sind.

Vorteilhafterweise weist die Ausleseelektronik ein SQUID-System mit einem einzelnen SQUID oder einer Gruppe aus SQUIDs auf.

Für die in dem Mikrokalorimeter eingesetzten Komponen ten sind folgende Materialien vorteilhaft. Das Thermometer kann hierbei beispielsweise einen Elementsupraleiter, einen Hochtemperatursupraleiter, eine Legierung, eine Zwei schichtstruktur aus zwei Supraleitern, eine Zwei schichtstruktur aus einem Supraleiter und einem Normallei ter oder eine Dreischichtstruktur aus Normalleitern und Su praleitern aufweisen. Dabei bestehen die Elementsupraleiter beispielsweise aus Wolfram, Iridium, Aluminium oder Tantal, die Zweischichtstrukturen aus einer Kombination von Iridi um/Gold, Iridium/Silber, Aluminium/Silber, Tantal/Silber, Tantal/Gold, Titan/Aluminium oder Titan/Gold. Der Absorber sowie das Substrat weist beispielsweise ein Dielektrikum wie Saphir, einen Halbleiter wie Silizium, Germanium oder Galliumarsenid, oder ein Metall wie Gold oder Silber, ein Halbmetall wie Wismut, Halbmetallegierungen wie Quecksil ber-Tellurid, Kadmium-Tellurid oder Quecksilber-Kadmium- Tellerurid, oder Supralleiter wie Tantal, Aluminium oder Blei oder eine Kombination der einzelnen Materialien auf. Der Heizfilm kann aus Gold oder Silber oder Platin beste hen. Das Substrat ist beispielsweise aus Silizium, Germani um oder Saphir und die Membran aus Silizium-Nitrid, Silizi um-Oxid oder Aluminium-Oxid ausgebildet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vielzahl von Mikrokalorimetern gemäß der vorliegenden Erfindung zu einer Gruppe von Mikrokalori metern nebeneinander angeordnet. Es können hierbei zum ei nen dreidimensionale Strukturen ausgebildet werden, die beispielsweise zur Beobachtung um ein Objekt herum angeord net sind. Zum andern sind auch zwei dimensionale Strukturen möglich, bei denen die Vielzahl von Mikrokalorimetern, ana log zu einer CCD-Kamera, in einer Ebene angeordnet wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein erfindungsgemäßes Mikrokalorimeter bzw. eine Gruppe von Mikrokalorimetern in eine Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung mit einer ersten Kühlein richtung, mit einer zweiten Kühleinrichtung, die von der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt wird und selbst eine Be triebstemperatur (T_S) bereitstellt und mit einer Eintritts öffnung zum Durchlassen von Teilchen und Strahlung als Er fassungseinrichtung zum Erfassen von Teilchen und Strahlung verwendet. Das Mikrokalorimeter ist dabei an die zweite Kühleinrichtung thermisch gekoppelt.

Vorteilhafterweise weist die erste Kühleinrichtung ei nen gekoppelten Stickstoff/Helium-Kühler, einen Pulsröhren- Kühler, eine mechanische Kühleinrichtung wie einen Helium- Kompressionkühler oder eine elektrische Kühleinrichtung wie ein Peltierelement auf. Die zweite Kühleinrichtung weist beispielsweise eine Entmagnetisierungsstufe, einen ³He/⁴He- Entmischungskühler, einen ³He-Kühler, eine mechanische Küh leinrichtung wie einen Helium-Kompressorkühler, eine elek trische Kühleinrichtung wie ein Peltierelement oder eine supraleitende Tunneldiode wie eine NIS-Diode auf.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung weist die Vorrichtung eine Fokussierungseinrichtung wie beispielswei se eine Röntgenlinse, eine Wolter-Anordnung, eine Fresnel linse, fokussierende Röhrenbündel, elektrische Fokussie rungseinrichtungen oder magnetische Fokussierungseinrich tungen auf, die von der Erfassungseinrichtung aus in Rich tung der Eintrittsöffnung betrachtet, vor oder hinter der Eintrittsöffnung angeordnet ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevor zugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Mikroka lorimeters mit seinen wesentlichen Komponenten,

Fig. 2 einen Diagramm, das einen typischen Verlauf eines Phasenübergangs eines Thermometers in einem Mikroka lorimeter darstellt,

Fig. 3 eine stark vereinfachte schematische Dar stellung der Ausleseelektronik eines Mikrokalorimeters,

Fig. 4 jeweils ein Widerstands-Temperatur-Diagramm, durch die das Einstellen des Thermometers auf den Arbeit temperaturpunkt bzw. die Reaktion des Thermometers auf im Absorber stattfindende Ereignisse erläutert werden,

Fig. 5 ein schematische Darstellung der elektri schen Beschaltung eines Tieftemperaturkalorimeters im Stand der Technik nach O. Meier und anderen,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer realen Geometrie der dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer realen Geometrie einer vierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer fünften beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer bei spielhaften Ausführungsform einer Gruppe von Mikrokalorime tern in einer ebenen Anordnung gemäß der Erfindung, und

Fig. 13 eine schematische Darstellung einer bei spielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen von Strahlung gemäß der Erfindung.

Mikrokalorimeter: Ausführungsformen

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Anord nung der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters ge mäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorlie genden Erfindung. Hier, wie auch in den folgenden Figuren, werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Dabei ist, von unten nach oben betrachtet, zunächst auf ein mit einer Wärmesenke (nicht dargestellt) verbundenen Substrat 30 ein Thermometerfilm 1, auf diesen Thermometer film 1 dann ein Absorber 2 und ein Heizfilm (1, 2) aufge bracht. Alle Komponenten sind hierbei aneinander flächig thermisch gekoppelt. Wie bereits erwähnt worden ist, wird aufgrund der Ankopplung des Thermometers 1 über eine große Fläche an die Wärmesenke eine gleichmäßige Kühlung er reicht, die eine Signalbeschleunigung bewirkt. Des weiteren wird die gesamte vom Heizfilm (1, 2) aufgebrachte Heizlei stung über das Thermometer 1 in die Wärmesenke abgeführt, so daß im wesentlichen nur die zum Einstellen des Arbeit stemperaturpunkts notwendige Heizleistung bereit gestellt werden muß, um einen bestimmten dynamischen Bereich einzu stellen.

Ein typischer Herstellungsprozeß wird bezüglich der Er läuterung der realen Geometrie der dritten vorteilhaften Ausführungsform kurz skizziert.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der Anord nung der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters ge mäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vor liegenden Erfindung.

Ähnlich zu der ersten vorteilhaften Ausführungsform ist, von unten nach oben betrachtet, zunächst auf einem mit einer Wärmesenke (nicht dargestellt) verbundenen Substrat 30 ein Thermometerfilm 1 aufgebracht. Auf diesen Thermome terfilm 1 ist dann ein Absorber 2 und auf diesen wiederum ein Heizfilm (1, 2) aufgebracht. Auch hier sind alle Kompo nenten wieder aneinander flächig thermisch gekoppelt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform wird hier durch die Kopplung des Heizfilms (1, 2) an den Absorber 2 eine groß flächigere und damit gleichmäßigere Heizung des Thermome ters 1 erreicht. Auch hierdurch kann wiederum eine Be schleunigung der Signal bewirkt werden.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Anord nung der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters ge mäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vor liegenden Erfindung. Diese Ausführungsform stellt eine Kom bination der ersten beiden Ausführungsformen dar.

Auf ein mit einer Wärmesenke (nicht dargestellt) ver bundenes Substrat 30 ist ein Thermometerfilm 1, auf diesen Thermometerfilm 1 ein Absorber 2 und ein Heizfilm (1, 2) aufgebracht. Schließlich ist auch der Absorber 2 wiederum mit einem Heizfilm (1, 2) versehen. Alle Komponenten sind aneinander flächig thermisch gekoppelt. Die Heizfilme (1, 2) am Absorber 2 und am Thermometer 1 können dabei in Serie, parallel oder unabhängig mit zwei verschiedenen Quellen be schaltet werden. Ein Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß eine großflächige und damit gleichmäßige Heizung des Thermometers 1 bereit gestellt wird, wodurch eine gute Wär meleitfähigkeit erreicht werden kann. Ferner kann je nach Wär mekapazität der einzelnen Komponenten 1, 2, (1, 2) eine mehr oder weniger schnelle aktive Kühlung von Absorber 2 und Thermometer 1 erreicht werden. Unter aktiver Kühlung ver steht man dabei die Wegnahme der Heizleistung bei einem im Absorber stattfindenden Ereignis. Wie bereits erwähnt wor den ist, sind eine geringe Wärmekapazität der Komponenten Absorber 2 und Heizfilm (1, 2) bzw. eine gute Wärmeleitfä higkeit zum Thermometer 1 eine Voraussetzung für eine schnelle aktive Kühlung und somit eine Beschleunigung der Signale.

Als besonderes Merkmal dieser Ausführungsform ist die flächige Kopplung des Absorbers 2 an das Thermometer 1 zu sehen. Kommt es nämlich im Absorber 2 zu einer Energiedepo sition eines Teilchens, so kann die sich in Richtung des Thermometers 1 thermalisierende Energie schnell an das Thermometer 1 abgegeben werden. Dies bewirkt einen schnell ansteigenden Signalpuls mit großer Amplitude, wodurch eine gute Energieauflösung bezüglich einfallenden zu beobachten den Teilchen bzw. Strahlung erzielt werden kann.

Die Fig. 9 zeigen eine schematische Darstellung ei ner realen Geometrie der einzelnen Komponenten eines Mikro kalorimeters gemäß der dritten beispielhaften Ausführungs form der Erfindung.

Dabei zeigt Fig. 9a eine Draufsicht auf die Mikrokalo riemeteranordnung, Fig. 9b eine Schnittansicht entlang der in Fig. 9a dargestellten Linie b-b und Fig. 9c eine Schnittansicht entlang der in Fig. 9a dargestellten Linie c-c. Von oben nach unten betrachtet wird das Thermometer 1 über Kontaktierflächen aus Aluminium, sogenannte Aluminium- Bondpads 35, 36 elektrisch kontaktiert und über supraleiten de Drähte 45, 46 mittels einer Ausleseelektronik (nicht dar gestellt), die im wesentlichen der aus der Veröffentlichung von O. Meier bekannte entspricht, ausgelesen. Als Heizele mente sind Goldheizer über einen elektrisch leitenden Ab sorber 2 verbunden. Sie werden über Aluminium-Bondpads 37, 38 elektrisch kontaktiert und über supraleitende Drähte 47, 48 an eine Spannungsquelle (nicht dargestellt) ange schlossen. Die Goldheizer sind über ihre thermische Leitfä higkeit an das Thermometer 1 und den Absorber gekoppelt.

Ein typischer Herstellungsprozeß für eine derartige An ordnung der Komponente eines Mikrokalorimeters verläuft kurz dargestellt folgendermaßen. Zuerst wird ein Thermome terfilm 1 auf das Substrat 30 aufgedampft oder gesputtert. Sodann erfolgt eine Strukturierung des Thermometers 1 mit tels eines photolithografischen Prozesses bzw. Ätzen und Sputtern. Daraufhin wird mittels eines photolithographi schen Prozesses eine sogenannte Lift-Off-Maske für die Hei zer 22, 23 erstellt. Die Heizer 22, 23 werden aufgedampft bzw. gesputtert und die Lift-Off-Maske wird entfernt. An schließend wird eine Lift-Off-Maske für den Absorber 2 mit tels eines photolithographischen Prozesses erstellt. Der Absorber 2 wird aufgedampft bzw. gesputtert und die Lift- Off-Maske wird entfernt. Daraufhin wird eine Lift-Off-Maske für die Aluminium-Bondpads 35, 36, 37, 38 mittels eines photo lithographischen Prozesses erstellt. Die Aluminium-Bondpads 35, 36, 37, 38 werden aufgedampft bzw. gesputtert und die Lift-Off-Maske wird entfernt.

Die Fig. 10 zeigen eine schematische Darstellung ei ner realen Geometrie der einzelnen Komponenten eines Mikro kalorimeters gemäß der vierten beispielhaften Ausführungs form der Erfindung.

Der Aufbau des Mikrokalorimeters dieser Ausführungsform entspricht im wesentlichen dem der dritten beispielhaften Ausführungsform, mit dem Unterschied, daß das Thermometer 1 auf einer Membran 32 angeordnet ist. Diese Membran 32 wird bei der Herstellung auf das Substrat 30 aufgebracht, wobei dann das Substrat 30 unterhalb des Thermometers 1 beispiels weise durch Ätzen entfernt wird. Wie bereits erwähnt wird durch diese Anordnung besonders bei der Messung von Rönt genstrahlung die Energieauflösung verbessert, da die Wahr scheinlichkeit für störende Signale, die von Ereignissen unterhalb des Thermometers 1 herrühren, minimiert werden.

Typische Dimensionen für die in Mikrokalorimetern gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Komponenten betragen für das Thermometer 1 1 mm × 1 mm × 0.1 µm, für den Absorber 2 250 µm × 250 µm × 1 µm, für die Membran 32 1,5 mm × 1,5 mm × 0,4 µm und für das Substrat 30 1,5 mm × 1,5 mm × 1 mm.

Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung der Anord nung der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters ge mäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vor liegenden Erfindung.

Der Aufbau des Mikrokalorimeters dieser Ausführungsform entspricht im wesentlichen dem der dritten beispielhaften Ausführungsform, mit dem Unterschied, daß das Thermometer 1 über einen Bonddraht 5 an den Absorber 2 gekoppelt ist, wo bei der Absorber 2 nicht mit einem Heizelement versehen ist. Diese kleinflächige bzw. lokale Kopplung der beiden Komponenten 1, 2 bewirkt zwar eine schlechtere Wärmeleitfä higkeit als die großflächige Kopplung gemäß der dritten Ausführungsform und damit eine schlechtere Energieauflö sung, ist jedoch eine ortsaufgelöste Erfassung von im Ab sorber 2 stattfindenden Ereignissen möglich.

Wechselwirkt ein einfallendes Teilchen oder einfallen de Strahlung im Absorber 2 in der Nähe des verbindenden Bonddrahts 5, so wird relativ schnell Wärme über den Bond draht 5 an das Thermometer 1 abgegeben und nur ein kleiner Teil der deponierten Energie thermalisert im Absorber. Dies hat einen schnell ansteigenden Signalpuls mit großer Ampli tude zur Folge. Wechselwirkt ein einfallendes Teilchen oder einfallende Strahlung hingegen im Absorber 2 weit ent fernt vom verbindenden Bonddraht 5, so thermalisiert die Energie zuerst im Absorber 2 und gelangt erst dann in das Thermometer 1. Es entsteht somit ein langsam ansteigender Signalpuls mit kleiner Amplitude.

Gruppe von Mikrokalorimetern

Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung einer bei spielhaften Ausführungsform einer Gruppe von Mikrokalorime tern in einer ebenen Anordnung gemäß der Erfindung.

Stark vereinfacht und der besseren Übersicht halber et was auseinander dargestellt sind Mikrokalorimeter mit ihren Sensorbauteilen bestehend aus Absorber 2 und Thermometer 1 gezeigt, die in einer Ebene nebeneinander ähnlich dem Prin zip einer CCD-Kamera angeordnet sind. Auf diese Weise las sen sich zweidimensionale Abbildung mit den Vorteilen für die erfindungsgemäßen Mikrokalorimeter erstellen.

Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung

Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung einer bei spielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen von Strahlung gemäß der Erfindung.

Von innen nach außen betrachtet, ist eine Erfassungs einrichtung 100 für Teilchen und Strahlung, in diesem Fall ein erfindungsgemäßes Mikrokalorimeter bzw. eine Gruppe von Mikrokalorimetern an eine Entmagnetisierungsstufe 110, die eine Wärmesenke mit einer Temperatur von ungefähr 50 bis 100 mK darstellt, thermische gekoppelt. Diese Anordnung wird von einem mit flüssigem Helium gefüllten Behältnis 112, das ungefähr eine Temperatur von 4 K bereitstellt, um geben. Durch ein Vakuum 102 abgetrennt folgt ein heliumge kühlter Schild 114, der, durch ein weiteres Vakuum 102 ab getrennt, von einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Be hältnis 116, das ungefähr eine Temperatur von 77 K bereit stellt, umgeben wird. Durch ein weiteres Vakuum 102 ge trennt ist die gesamte innere Anordnung von einem äußeren Mantel 120 umgeben. Damit Strahlung auf die Erfassungsein richtung 100 treffen kann, sind Eintrittsfenster 118 vorge sehen.

Eine derartige Vorrichtung eignet sich beispielsweise zur Untersuchung von Oberflächenverunreinigungen mittels Röntgenfluoreszensanalyse, wobei sich das zugrunde liegende Meßprinzip folgendermaßen darstellen läßt. Mit einer Rönt genquelle wird Röntgenstrahlung auf die zu untersuchende Oberfläche eingestrahlt, wodurch die Atome auf der Oberflä che angeregt werden. Diese Oberflächenatome senden bei ih rer Relaxation bzw. Abregung die sogenannte Röntgenfluores zenzstrahlung aus, die für jedes Element eine charakteri stische Wellenlänge bzw. Frequenz aufweist. Der Nachweis der Röntgenfluoreszenzstrahlung geschieht mit der oben be schriebenen Vorrichtung, wobei anhand der gemessenen Fre quenzverteilung auf die Häufigkeit der Oberflächenverunrei nigungen und deren genaue Zusammensetzung geschlossen wer den kann.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung bietet hierbei den Vorteil, daß aufgrund des groß einstellbaren dynamischen Bereichs ein breites Energiespektrum von Strahlung erfaßt werden kann. Des weiteren ist aufgrund der guten Energie auflösung eine genaue Differenzierung verschiedener Elemen te möglich, selbst wenn deren Röntgenlinien dicht beieinan der liegen. Zusätzlich dazu können große Oberflächen unter sucht werden, da zum einen aufgrund der Signalbeschleuni gung wenig Meßzeit erforderlich ist und zum anderen auf grund der minimierten Heizleistung, die zweite Kühleinrich tung, wie beispielsweise die Entmagnetisierungsstufe, lange auf ihrer Temperatur gehalten werden kann.

Offenbart ist ein Mikrokalorimeter bzw. eine Gruppe von Mikrokalorimetern, die ein Sensorbauteil bestehend aus einem Thermometer mit einem supraleitenden Material und aus einem an das Thermometer thermisch gekoppelten Absorber, eine Kühleinrichtung, eine Heizeinrichtung und eine Ausle seeinrichtung aufweisen, wobei die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung getrennt voneinander an das Sensorbauteil thermisch gekoppelt sind und zumindest die Kühleinrichtung flächig mit dem Sensorbauteil thermisch gekoppelt ist. Durch diese Anordnung läßt sich großer dynamischer Bereich bei minimaler Heizleistung einstellen, es kann aber außer dem eine getrennte Optimierung der Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung bewirkt werden, wodurch eine verbesserte Energieauflösung bzw. eine Signalbeschleunigung erreicht wird. Derartige Mikrokalorimeter werden beispielsweise bei der Materialanalyse bzw. Qualitätssicherung mittels Rönt genfluoreszenz-Analyse vorzugsweise in der Halbleiterindu strie eingesetzt, sie eignen sich aber auch zur Bestimmung von Molekülen in der Biotechnologie.

Bezugszeichenliste

1

Thermometer

2

Absorber

5

Bonddraht zwischen Absorber und Thermometer

9

einfallendes Teilchen

10

Kühleinrichtung, Koppelung an die Wärmesenke

20

Heizeinrichtung, Heizfilm

22

,

23

Goldheizer

30

Substrat

32

Membran

35

,

36

Aluminiumbondpads am Thermometer

37

,

38

Aluminiumbondpads am Goldheizer

40

Ausleseelektronik

42

SQUID, SQUID-System

43

Regelglied, Wurzelzieher

44

Auslesekreis

45

,

46

supraleitende Auslesedrähte am Thermometer

47

,

48

supraleitende Drähte an dem Goldheizer

100

Erfassungseinrichtung für Teilchen/Strahlung

102

Vakuum

110

Entmagnetisierungsstufe, 2. Kühleinrichtung

112

Behältnis mit flüssigem Helium

114

heliumgekühltes Schild

116

Behältnis mit flüssigem Stickstoff

118

Eintrittsfenster

120

äußerer Mantel
ΔE deponierte Energie
I_O

Strom durch Ausleseelektronik
I_T

Strom durch Widerstand R_T

L Auslesespule
P_H

, P_joule

Heizleistung
R elektrischer Widerstand
ΔR Änderung des elektrischen Widerstands
R_T

elektrischer Widerstand des Thermometers
T Temperatur
T_C

Sprungtemperatur eines Supraleiters
T_S

Temperatur der Wärmesenke bzw. des Kältebads
ΔT Änderung der Temperatur
ΔT₊

Temperaturerhöhung
ΔT₋ Temperaturerniedrigung
ΔT_übergang

Übergangsbereich, Übergangsbreite

Claims

1. Mikrokalorimeter zum Messen eines Energiepulses, mit:
einem Sensorbauteil (1, 2) bestehend aus
einem Thermometer (1), das ein supraleitendes Material mit einem eine endliche Breite aufweisenden Übergangstemperaturbereich (ΔT_übergang) von der normalleitenden in die supraleitende Phase aufweist, wobei die Sprungtemperatur (T_C) in der Mitte des Übergangstemperaturbereichs (ΔT_übergang) liegt und der elektrische Widerstand (R) des supraleitenden Materials innerhalb des Übergangstemperaturbereichs (ΔT_übergang) mit wachsender Temperatur ansteigt, und aus
einem Absorber (2), der an das Thermometer (1) thermisch gekoppelt ist und in dem einfallende Teilchen (9) oder Strahlung (9) wechselwirkt;
einer Kühleinrichtung (10), die eine Betriebstemperatur (T_S) unterhalb der Sprungtemperatur (T_C) aufweist;
einer Heizeinrichtung (20, 22, 23), durch die der Temperaturarbeitspunkt des Thermometers (1) innerhalb des Übergangstemperaturbereichs (ΔT_übergang) einstellbar ist;
eine Ausleseelektronik (40), die elektrisch mit dem Thermometer (1) verbunden ist und den durch das Thermometer (1) fließenden Strom erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (10) und die Heizeinrichtung (20) an das Sensorbauteil (1, 2) getrennt voneinander thermisch gekoppelt sind und daß zumindest die Kühleinrichtung (10) flächig mit dem Sensorbauteil (1, 2) thermisch gekoppelt ist.

2. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (20, 22, 23) ein oder mehrere Heizelemente (20, 22, 23) aufweist, die an das Sensorbauteil (1, 2) gekoppelt sind.

3. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekapazität eines Heizelements (20, 22, 23) kleiner oder gleich der Wärmekapazität des Sensorbauteils (1, 2) ist.

4. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizelement (20, 22, 23) von einem mit einer Heizstromquelle verbundenen Heizfilm (20, 22, 23) gebildet wird, der flächig auf dem Sensorbauteil (1, 2) aufgebracht ist.

5. Mikrokalorimeter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizfilm (20, 22, 23) mäanderförmig ausgebildet ist.

6. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizelement (20, 22, 23) von einem mit einer Heizstromquelle verbundenen Widerstandselement gebildet wird, das auf das Sensorbauteil (1, 2) aufgeklebt ist.

7. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (20, 22, 23) ein Heizelement (20, 22, 23) aufweist, das an das Thermometer (1) gekoppelt ist.

8. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (20, 22, 23) ein Heizelement (20, 22, 23) aufweist, das an den Absorber (2) gekoppelt ist.

9. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (20, 22, 23) zwei Heizelemente (20, 22, 23) aufweist, die jeweils an das Thermometer (1) und an den Absorber (2) gekoppelt sind.

10. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (10) ein mit einer Wärmesenke verbundenes Substrat (30) aufweist, auf dem das Sensorbauteil (1, 2) aufgebracht ist.

11. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (10) eine mit einer Wärmesenke verbundene Membran (32) aufweist, auf der das Sensorbauteil (1, 2) aufgebracht ist.

12. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (10) eine mit einer Wärmesenke verbundene elektrisch isolierende Schicht aufweist, auf der das Sensorbauteil (1, 2) aufgebracht ist.

13. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (2) direkt auf dem Thermometer (1) aufgebracht ist.

14. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (2) über eine Verbindungseinrichtung (5) an das Thermometer (1) gekoppelt ist.

15. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermometer (1) aus einer Vielzahl von Thermometerelementen besteht, die jeweils an verschiedenen Stellen an den Absorber (2) gekoppelt sind.

16. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseelektronik (40) ein SQUID-System (42) aufweist.

17. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermometer (1) einen Elementsupraleiter oder einen Hochtemperatursupraleiter oder eine Legierung oder eine Zweischichtstruktur aus zwei Supraleitern oder eine Zweischichtstruktur aus einem Supraleiter und einem Normalleiter oder eine Dreischichtstruktur aus Normalleitern und Supraleitern aufweist.

18. Mikrokalorimeter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementsupraleiter aus Wolfram oder Iridium oder Aluminium oder Tantal, und die Zweischichtstrukturen aus einer Kombination von Iridium/Gold oder Iridium/Silber oder Aluminium/Silber oder Tantal/Silber oder Tantal/Gold oder Titan/Aluminium oder Titan/Gold bestehen.

19. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (2) aus einem Dielektrikum wie Saphir, oder einem Halbleiter wie Silizium oder Germanium oder Galliumarsenid, oder aus einem Metall wie Gold oder Silber, oder einem Halbmetall wie Wismut, oder einer Halbmetallegierung wie Quecksilber-Tellurid oder Kadmium-Tellurid oder Quecksilber-Kadmium-Tellerurid, oder einem Supralleiter wie Tantal oder Aluminium oder Blei oder aus einer Kombination der einzelnen Materialien besteht.

20. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizfilm (20, 22, 23) aus Gold oder Silber oder Platin besteht.

21. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (30) aus einem Dielektrikum wie Saphir, oder einem Halbleiter wie Silizium oder Germanium oder Galliumarsenid, oder aus einem Metall wie Gold oder Silber, oder einem Halbmetall wie Wismut, oder einer Halbmetallegierung wie Quecksilber-Tellurid oder Kadmium-Tellurid oder Quecksilber-Kadmium-Tellerurid, oder einem Supralleiter wie Tantal oder Aluminium oder Blei oder aus einer Kombination der einzelnen Materialien besteht.

22. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (32) aus Silizium-Nitrid oder Silizium-Oxid oder Aluminium-Oxid besteht.

23. Gruppe von Mikrokalorimetern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Mikrokalorimetern nach einem der Ansprüche 1 bis 22 nebeneinander angeordnet sind.

24. Gruppe von Mikrokalorimetern nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokalorimetern in einer Ebene angeordnet ist.

25. Gruppe von Mikrokalorimetern nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokalorimetern in Form einer dreidimensionalen Struktur angeordnet ist.

26. Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung, mit:
einer ersten Kühleinrichtung (112, 114, 116);
einer zweiten Kühleinrichtung (110), die von der ersten Kühleinrichtung (112, 114, 116) vorgekühlt wird und selbst eine Betriebstemperatur (T_S) bereitstellt;
einer Eintrittsöffnung (118) zum Durchlassen von Teilchen und Strahlung;
einer Erfassungseinrichtung (100) zum Erfassen von Teilchen und Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (100) ein Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 22 oder eine Gruppe aus Mikrokalorimetern nach einem der Ansprüche 23 bis 25 ist, das oder die an die zweite Kühleinrichtung (110) thermisch gekoppelt sind.

27. Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kühleinrichtung (112, 114, 116) einen gekoppelten Stickstoff/Helium-Kühler oder einen Pulsröhren-Kühler oder eine mechanische Kühleinrichtung wie einen Helium- Kompressionkühler oder eine elektrische Kühleinrichtung wie ein Peltierelement aufweist.

28. Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühleinrichtung (110) eine Entmagnetisierungsstufe oder einen ³He/⁴He- Entmischungskühler oder einen ³He-Kühler oder eine mechanische Kühleinrichtung wie einen Helium- Kompressorkühler oder eine elektrische Kühleinrichtung wie ein Peltierelement oder eine supraleitende Tunneldiode wie eine NIS-Diode aufweist.

29. Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung nach einem der Ansprüche 26 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Fokussierungseinrichtung wie eine Röntgenlinse oder eine Wolter-Anordnung oder eine Fresnellinse oder fokussierende Röhrenbündel oder elektrische Fokussierungseinrichtungen oder magnetische Fokussierungseinrichtungen aufweist, die von der Erfassungseinrichtung aus in Richtung der Eintrittsöffnung betrachtet, vor oder hinter der Eintrittsöffnung angeordnet ist.