EP1073888A1 - Microcalorimeter - Google Patents

Microcalorimeter

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Publication number
EP1073888A1
EP1073888A1 EP99915762A EP99915762A EP1073888A1 EP 1073888 A1 EP1073888 A1 EP 1073888A1 EP 99915762 A EP99915762 A EP 99915762A EP 99915762 A EP99915762 A EP 99915762A EP 1073888 A1 EP1073888 A1 EP 1073888A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
thermometer
microcalorimeter
heating
cooling device
absorber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99915762A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Franz Von Feilitzsch
Jens HÖHNE
Josef Jochum
Johann Schnagl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CSP Cryogenic Spectrometers GmbH
Original Assignee
CSP Cryogenic Spectrometers GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CSP Cryogenic Spectrometers GmbH filed Critical CSP Cryogenic Spectrometers GmbH
Publication of EP1073888A1 publication Critical patent/EP1073888A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K17/00Measuring quantity of heat
    • G01K17/006Microcalorimeters, e.g. using silicon microstructures
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/06Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G01J5/061Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity by controlling the temperature of the apparatus or parts thereof, e.g. using cooling means or thermostats
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    • F25B2309/1406Pulse-tube cycles with pulse tube in co-axial or concentric geometrical arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25D19/006Thermal coupling structure or interface
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Definitions

  • the invention relates to a microcalorimeter according to claim 1, a group of microcalorimeters according to claim 23 and a device for measuring particles and radiation according to claim 26.
  • microcalorimeters have a wide range of applications. They are used, for example, in material analysis or quality assurance by means of X-ray fluorescence analysis, preferably in the semiconductor industry, but they are also suitable for the determination of molecules in biotechnology.
  • Microcalorimeter structure, principle
  • detectors represent the so-called microcalorimeters. As can be seen in FIG. 1, they essentially consist of the components: sorber 2, thermometer 1 and a coupling 5 to a heat sink or cold bath together.
  • the thermometer 1 is a so-called phase transition thermometer with a superconducting material that changes from the normally conductive to the superconducting phase at a critical temperature, the transition temperature T c .
  • the transition from the normally conductive to the superconducting region does not occur abruptly due to material inhomogeneities, but rather over a region ⁇ T transition of a few mK, as shown in FIG. 2.
  • the electrical resistance R of the superconducting material shows a strong temperature dependency, which makes it suitable for a very sensitive temperature measurement.
  • the point of greatest slope with respect to the quotient from resistance change ⁇ R to temperature change ⁇ T in the transition region is selected as the working point or working temperature point of the superconducting material in order to achieve maximum sensitivity for temperature changes ⁇ T.
  • the principle of operation of the microcalorimeter is that a particle or radiation strikes the absorber 2 and interacts with it.
  • the locally deposited energy .DELTA.E then spreads in the absorber, it thermalizes, and finally reaches the thermometer 1 connected to the heat sink. There, it causes a temperature increase .DELTA.T and leads to a change in resistance .DELTA.R, which is read out by readout electronics 40, such as it is shown in Figure 3 can be detected.
  • the readout electronics 40 shown in greatly simplified form in FIG. 3 have a readout circuit 44 with two branches connected in parallel, namely a branch having a shunt resistor R s and a branch magnetic readout coil L and resistance R ⁇ connected in series, which is formed by the thermometer, having branch.
  • the readout circuit 44 is fed by a constant current I 0 . If a particle or radiation deposits energy in the microcalorimeter, this leads to a change in resistance in the thermometer R ⁇ , which causes a change in the current I ⁇ . This change in current in turn leads to a change in the magnetic field in the coil L, which is finally detected by an SQÜID 42 ("Superconducting Quantum Interference Device", a superconducting quantum interference device). The measurement signal obtained in this way is directly proportional to the incident energy ⁇ E.
  • thermometer As shown in FIG. 4a, the temperature of the heat sink T s is kept below the step temperature T c of the superconductor or the thermometer.
  • thermometer due to an incident particle or radiation the thermometer warms, this has an increase in resistance or temperature increase ⁇ T + and thus an instantaneous reduction ⁇ T.
  • the heating output corresponding to the temperature in the thermometer, which brings the temperature back to the working point. This directly counteracts the heating, which leads to a shortening of the signal length, ie an acceleration.
  • thermometer A disadvantage of the detector arises when measuring higher-energy radiation due to the limited dynamic range.
  • the temperature of the heat sink T s is below the transition temperature T c or below the working temperature point, so that the thermometer must be heated to its working temperature point by a heating current flowing through the thermometer.
  • this in turn is limited because it must not exceed the critical current specific to the superconducting material of the thermometer. If, however, particles or radiation are to be measured that deposit a lot of energy, the temperature of the heat sink T s must first be set very low in order to ensure a large difference from the working temperature point and thus a large heating output.
  • thermometer also serves as a heating device in the detector used here, the heating current is limited by the critical current and therefore the dynamic range. However, if the largest possible dynamic range is to be set, a large heating output or energy dissipation in the thermometer is required.
  • FIG. 5 shows a diagram of the electrical wiring of such a low-temperature calorimeter.
  • the readout circuit 44 already explained in FIG. 3 is shown here with the shunt resistance R s in one branch and the thermometer resistance R ⁇ and the coil L in the other branch. Furthermore, there is a heating resistor R H , which is thermally coupled to the thermometer R ⁇ and via a control element 43 with a root extractor 43 and a conventional SQUID system 42 to the coil L for adjustment of the heating power is shown. If the thermometer is heated by an incident particle or incident radiation, the heating power at the resistor R H is reduced by the just mentioned feedback in order to return the thermometer to the working temperature point. The signal is accelerated here by the feedback of the heating resistor R H to the readout circuit 44.
  • thermometer By separating the thermometer and the heating device, the above-mentioned disadvantages of the detector from the American patent US-A-5,641,961 can be overcome.
  • thermometer is heated and cooled via a bond wire, which is both coupled to a heat sink and connected to a heating current source, the following disadvantages arise.
  • the bonding wire used as a heating device has a high thermal capacity in comparison to the thermometer and, due to the quasi punctiform or local coupling, a low thermal conductivity. This leads to a slower return of the thermometer to the working temperature point and thus to a deteriorated signal acceleration (see explanations on FIG. 4c).
  • the heating power is reduced because, depending on the coupling, about half of the heating power is given off to the heat sink. In other words, in order to obtain a certain dynamic range, approximately twice the heating power must be applied.
  • the inadvertent heating of the heat sink or the cold bath leads to an overuse of the cold bath and thus to a reduction in the service life. Presentation of the invention
  • the microcalorimeter according to the present invention comprises a sensor component consisting of a thermometer with a superconducting material and an absorber thermally coupled to the thermometer, a cooling device, a heating device and a reading device. Because the cooling device and the heating device are separate devices which are thermally coupled separately from one another to the sensor component, the heating device can be arranged in such a way that the heat emitted by it flows through the thermometer into the cooling device. This leads to a minimization of the heating power or to a minimization of the cooling power to be applied by the cooling device, since heating power is not given directly and unused to the cooling device.
  • the cooling device is thermally coupled to the sensor component
  • the cooling of the sensor component by the cooling device takes place uniformly, which in turn leads to a signal acceleration.
  • This is additionally promoted by a flat thermal coupling of the heating device to the sensor component.
  • Flat thermal Coupling here means that the coupling takes place over an extensive contact area and not only in a quasi-punctiform manner as with bond wires.
  • the heating device or cooling device can be optimized separately from one another with regard to thermal capacity, thermal conductivity or geometry. For example, the areal heat coupling between the thermometer and the heating device can be brought to a suitable value in order to obtain an optimal signal amplitude.
  • thermometer It is advantageous to set a poorer thermal conductivity in comparison to the thermometer, which results in a slower energy dissipation into the heat sink in comparison with the reduction in the heating power and thus a large signal amplitude or pulse height. This ensures a good energy resolution.
  • the areal coupling offers the decisive advantage of uniform cooling of the thermometer, as a result of which temperature gradients within the thermometer are avoided and, in turn, the signals are accelerated and the energy resolution increased.
  • the heating device has one or more heating elements which are coupled to the sensor component. This makes it possible to heat either only the thermometer or only the absorber by means of a heating element or simultaneously the thermometer and the absorber with one heating element each. Furthermore, a large number of heating elements can be coupled to the sensor component in order to ensure an even supply of heat.
  • the heat capacity of a heating element is dimensioned such that it is less than or equal to the heat capacity of the system of thermometer and absorber.
  • the cooling device for coupling to the sensor component has, for example, a substrate, an electrically insulating layer or a membrane.
  • the advantages of the membrane lie in the fact that, compared to the substrate, it enables a weaker, but nevertheless uniform, thermal coupling of the thermometer to the heat sink. Furthermore, when measuring X-rays, there is the advantage that the probability of absorption below the thermometer is very minimized due to the small thickness compared to the substrate. In contrast to the substrate, there is therefore no deterioration in the energy resolution due to interfering signals.
  • thermometer To be able to register events on the thermometer, it is necessary to ensure a good coupling of the two components. This can be achieved by applying the thermometer directly to the absorber. If, on the other hand, a spatial resolution of the event occurring in the absorber is desired, the absorber is locally coupled to the thermometer via a connecting device.
  • the connecting device can be a bond wire that connects the absorber and the thermometer. However, it is also possible to arrange the absorber and thermometer next to one another in such a way that again only a local coupling is formed.
  • thermometer For an improved spatial resolution of an event occurring in the absorber, it is possible according to a further advantageous embodiment of the invention to design the thermometer with a large number of thermometer elements which are each coupled to the absorber at different points.
  • the readout electronics advantageously have a SQUID system with a single SQUID or a group of SQUIDs.
  • the thermometer can have, for example, an element superconductor, a high-temperature superconductor, an alloy, a two-layer structure composed of two superconductors, a two-layer structure composed of a superconductor and a normal conductor, or a three-layer structure composed of normal conductors and superconductors.
  • the element superconductors consist, for example, of tungsten, iridium, aluminum or tantalum, the two-layer structures from a combination of iridium / gold, iridium / silver, aluminum / silver, tantalum / silver, tantalum / gold, titanium / aluminum or titanium 11
  • the absorber and the substrate have, for example, a dielectric such as sapphire, a semiconductor such as silicon, germanium or gallium arsenide, or a metal such as gold or silver, a semimetal such as bismuth, semimetal alloys such as mercury-telluride, cadmium-telluride or mercury-cadmium-plate uride, or super conductor such as tantalum, aluminum or lead or a combination of the individual materials.
  • the heating film can be made of gold or silver or platinum.
  • the substrate is made of silicon, germanium or sapphire, for example, and the membrane is made of silicon nitride, silicon oxide or aluminum oxide.
  • a multiplicity of microcalorimeters according to the present invention are arranged next to one another to form a group of microcalorimeters.
  • three-dimensional structures can be formed, which are arranged, for example, for observation around an object.
  • two-dimensional structures are also possible, in which the large number of microcalorimeters, analogous to a CCD camera, is arranged in one plane.
  • a microcalorimeter or a group of microcalorimeters according to the invention is placed in a device for measuring particles and radiation with a first cooling device, with a second cooling device which is precooled by the first cooling device and itself an operating temperature ( T s ) and used with an inlet opening for the passage of particles and radiation as a detection device for detecting particles and radiation.
  • the microcalorimeter is thermally coupled to the second cooling device. 12
  • the first cooling device advantageously has a coupled nitrogen / helium cooler, a pulse tube cooler, a mechanical cooling device such as a helium compression cooler or an electrical cooling device such as a Peltier element.
  • the second cooling device has, for example, a demagnetization stage, a 3 He / He separation cooler, a 3 He cooler, a mechanical cooling device such as a helium compressor cooler, an electrical cooling device such as a Peltier element or a superconducting tunnel diode such as an NIS diode.
  • the device has a focusing device such as, for example, an X-ray lens, a Wolter arrangement, a Fresnel lens, focusing tube bundles, electrical focusing devices or magnetic focusing devices which point in the direction from the detection device considered the inlet opening, is arranged in front of or behind the inlet opening.
  • a focusing device such as, for example, an X-ray lens, a Wolter arrangement, a Fresnel lens, focusing tube bundles, electrical focusing devices or magnetic focusing devices which point in the direction from the detection device considered the inlet opening, is arranged in front of or behind the inlet opening.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a microcalorimeter with its essential components
  • FIG. 2 shows a diagram which shows a typical course of a phase transition of a thermometer in a microcalorimeter, 13
  • FIG. 3 shows a greatly simplified schematic illustration of the readout electronics of a microcalorimeter
  • thermometer 4 each show a resistance-temperature diagram, by means of which the setting of the thermometer to the working temperature point or the reaction of the thermometer to events taking place in the absorber are explained,
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the electrical wiring of a low-temperature calorimeter in the prior art according to 0. Meier and others,
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a third exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 11 shows a schematic illustration of a fifth exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 12 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a group of microcalocal 14
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a device for measuring radiation according to the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of the arrangement of the individual components of a microcalorimeter according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • the same parts are designated with the same reference numerals.
  • thermometer film 1 When viewed from the bottom up, a thermometer film 1 is first applied to a substrate 30 connected to a heat sink (not shown), then an absorber 2 and a heating film 20 are applied to this thermometer film 1. All components are thermally coupled to one another. As has already been mentioned, due to the coupling of the thermometer 1 over a large area to the heat sink, uniform cooling is achieved, which causes a signal acceleration. Furthermore, the entire heating power applied by the heating film 20 is dissipated into the heat sink via the thermometer 1, so that essentially only the heating power necessary for setting the working temperature point has to be provided in order to set a certain dynamic range.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the arrangement of the individual components of a microcalorimeter according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • thermometer film 1 when viewed from bottom to top, a thermometer film 1 is first applied to a substrate 30 connected to a heat sink (not shown). An absorber 2 is then applied to this thermometer film 1 and a heating film 20 is applied to this.
  • the heating film 20 is coupled to the absorber 2 to achieve a more extensive and thus more uniform heating of the thermometer 1. This can also cause the signal to accelerate.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of the arrangement of the individual components of a microcalorimeter according to a third exemplary embodiment of the present invention. This embodiment represents a combination of the first two embodiments.
  • thermometer film 1 is applied to a substrate 30 connected to a heat sink (not shown), and an absorber 2 and a heating film 20 are applied to this thermometer film 1. Finally, the absorber 2 is again provided with a heating film 20. All components are thermally coupled to one another.
  • the heating films 20 on the absorber 2 and on the thermometer 1 can be connected in series, in parallel or independently with two different sources.
  • One advantage of this arrangement is that a large-area and thus uniform heating of the thermometer 1 is provided, which means that 16
  • ne good thermal conductivity can be achieved. Furthermore, depending on the heat capacity of the individual components 1, 2, 20, a more or less fast active cooling of absorber 2 and thermometer 1 can be achieved. Active cooling means the loss of heating power in the event of an event taking place in the absorber. As has already been mentioned, a low heat capacity of the absorber 2 and heating film 20 components or good thermal conductivity to the thermometer 1 are a prerequisite for rapid active cooling and thus acceleration of the signals.
  • thermometer 1 A special feature of this embodiment is the areal coupling of the absorber 2 to the thermometer 1. If there is an energy deposition of a particle in the absorber 2, the energy thermalizing in the direction of the thermometer 1 can be quickly released to the thermometer 1. This causes a rapidly increasing signal pulse with a large amplitude, whereby a good energy resolution with regard to incident particles or radiation to be observed can be achieved.
  • FIGS. 9 show a schematic representation of a real geometry of the individual components of a microcalorimeter according to the third exemplary embodiment of the invention.
  • thermometer 1 is electrically contacted via contacting surfaces made of aluminum, so-called aluminum bond pads 35, 36, and via superconducting wires 45, 46 by means of an 17
  • Gold heaters are connected as heating elements via an electrically conductive absorber 2. They are electrically contacted via aluminum bond pads 37, 38 and connected to a voltage source (not shown) via superconducting wires 47, 48. The gold heaters are coupled to thermometer 1 and the absorber via their thermal conductivity.
  • thermometer film 1 is evaporated or sputtered onto the substrate 30.
  • the thermometer 1 is then structured by means of a photolithographic process or etching and sputtering.
  • a so-called lift-off mask for the heaters 22, 23 is then created using a photolithographic process.
  • the heaters 22, 23 are vapor-deposited or sputtered and the lift-off mask is removed.
  • a lift-off mask for the absorber 2 is then created using a photolithographic process.
  • the absorber 2 is evaporated or sputtered and the lift-off mask is removed.
  • a lift-off mask for the aluminum bond pads 35, 36, 37, 38 is then created using a photolithographic process.
  • the aluminum bond pads 35, 36, 37, 38 are sputtered on and the lift-off mask is removed.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a real geometry of the individual components of a microcalorimeter according to the fourth exemplary embodiment of the invention.
  • the structure of the microcalorimeter of this embodiment corresponds essentially to that of the third two 18th
  • thermometer 1 is arranged on a membrane 32.
  • This membrane 32 is applied to the substrate 30 during manufacture, the substrate 30 below the thermometer 1 then being removed, for example by etching.
  • this arrangement improves the energy resolution, particularly when measuring X-ray radiation, since the probability of disruptive signals resulting from events below the thermometer 1 is minimized.
  • Typical dimensions for the components used in microcalorimeters according to the present invention are 1 mm ⁇ 1 mm ⁇ 0.1 ⁇ m for the thermometer, 250 ⁇ m ⁇ 250 ⁇ m ⁇ 1 ⁇ m for the absorber 2, 1.5 mm ⁇ 1.5 mm ⁇ 0.4 for the membrane 32 ⁇ m and for the substrate 30 1.5mm x 1.5mm x lmm.
  • FIG. 11 shows a schematic illustration of the arrangement of the individual components of a microcalorimeter according to a fifth exemplary embodiment of the present invention.
  • the structure of the microcalorimeter of this embodiment essentially corresponds to that of the third exemplary embodiment, with the difference that the thermometer 1 is coupled to the absorber 2 via a bonding wire 5, the absorber 2 not being provided with a heating element.
  • this small-area or local coupling of the two components 1, 2 results in poorer thermal conductivity than the large-area coupling in accordance with the third embodiment and thus a poorer energy resolution, a spatially resolved detection of events taking place in the absorber 2 is possible. 19
  • FIG. 12 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a group of microcalorimeters in a planar arrangement according to the invention.
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a device for measuring radiation according to the invention. 20th
  • a detection device 100 for particles and radiation is thermally coupled to a demagnetization stage 110, which represents a heat sink with a temperature of approximately 50 to 100 mK .
  • This arrangement is surrounded by a container 112 filled with liquid helium, which provides approximately a temperature of 4K.
  • a helium-cooled shield 114 follows, which, separated by a further vacuum 102, is surrounded by a container 116 filled with liquid nitrogen, which provides a temperature of approximately 77K.
  • the entire inner arrangement is surrounded by an outer jacket 120. Entry windows 118 are provided so that radiation can strike the detection device 100.
  • Such a device is suitable, for example, for examining surface contaminants by means of X-ray fluorescence analysis, the basic measurement principle being able to be represented as follows.
  • X-ray source X-rays are radiated onto the surface to be examined, whereby the atoms on the surface are excited. During their relaxation or de-excitation, these surface atoms emit the so-called X-ray fluorescence radiation, which has a characteristic wavelength or frequency for each element.
  • the detection of the X-ray fluorescence radiation takes place with the device described above, it being possible to use the measured frequency distribution to infer the frequency of the surface contaminations and their exact composition.
  • a device has the advantage that, due to the large, adjustable dynamic range, a wide energy spectrum of radiation can be detected. Furthermore, due to the good energy resolution, an exact differentiation of different elements is possible, even if their X-ray lines are close together. In addition, large surfaces can be examined because, on the one hand, due to the signal acceleration, little measurement time is required and, on the other hand, due to the minimized heating power, the second cooling device, such as the demagnetization stage, can be kept at its temperature for a long time.
  • a microcalorimeter or a group of microcalorimeters which have a sensor component consisting of a thermometer with a superconducting material and an absorber thermally coupled to the thermometer, a cooling device, a heating device and a readout device, the cooling device and the heating device being separate from one another are thermally coupled to the sensor component and at least the cooling device is thermally coupled flat to the sensor component.
  • This arrangement allows a large dynamic range to be set with minimal heating power, but it is also possible to optimize the cooling device and the heating device separately, as a result of which an improved energy resolution or signal acceleration is achieved.
  • Microcalorimeters of this type are used, for example, in material analysis or quality assurance by means of X-ray fluorescence analysis, preferably in the semiconductor industry, but are also suitable for determining molecules in biotechnology. 22
  • thermometer 32 membrane 3 355,. 3 366 aluminum bond pads on the thermometer
  • thermometer T temperature R ⁇ electrical resistance of the thermometer T temperature

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Abstract

The invention relates to a microcalorimeter or a group of microcalorimeters, comprising a sensor component (1, 2) consisting of a thermometer (1) with a superconducting material and an absorber (2) which is thermally coupled to the thermometer, a cooling device (30), a heating device (20) and a read-out device. The cooling device and the heating device are thermally coupled to the sensor component separately from each other and at least the cooling device is thermally coupled to the sensor component across its surface. This design allows for the adjustment of a large dynamic area with minimum calorific output and for the cooling device and heating device to be optimized separately, resulting in improved energy resolution or signal acceleration. This type of microcalorimeter is used, for example, in material analysis or quality assurance by X-ray fluorescence analysis, preferably in the semiconductors industry, but is also suitable for the determination of molecules in biotechnology.

Description

Beschreibung description
MikrokalorimeterMicro calorimeter
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft ein Mikrokalorimeter gemäß An- spruch 1, eine Gruppe von Mikrokalorimeter gemäß Anspruch 23 und eine Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung gemäß Anspruch 26.The invention relates to a microcalorimeter according to claim 1, a group of microcalorimeters according to claim 23 and a device for measuring particles and radiation according to claim 26.
Derartige Mikrokalorimeter haben einen breiten An- Wendungsbereich. Sie werden beispielsweise bei der Materialanalyse bzw. Qualitätssicherung mittels Röntgen- fluoreszenz-Analyse vorzugsweise in der Halbleiterindustrie eingesetzt, sie eignen sich aber auch zur Bestimmung von Molekülen in der Biotechnologie.Such microcalorimeters have a wide range of applications. They are used, for example, in material analysis or quality assurance by means of X-ray fluorescence analysis, preferably in the semiconductor industry, but they are also suitable for the determination of molecules in biotechnology.
Stand der TechnikState of the art
Motiviert durch die Erforschung neuer Detektoren zum Erfassen von Teilchen und Strahlung für astrophysi- kalische bzw. teilchenphysikalische Experimente sind in den letzten Jahren Detektoren entwickelt worden, die auf supraleitenden Effekten basieren.Motivated by the research of new detectors for the detection of particles and radiation for astrophysical or particle physics experiments, detectors based on superconducting effects have been developed in recent years.
Mikrokalorimeter: Aufbau, PrinzipMicrocalorimeter: structure, principle
Eine Art dieser Detektoren repräsentieren die sogenannten Mikrokalorimeter. Sie setzten sich, wie in Figur 1 zu sehen ist, im wesentlichen aus den Komponenten: Ab- sorber 2, Thermometer 1 und einer Kopplung 5 an eine Wärmesenke bzw. ein Kältebad zusammen.One type of these detectors represent the so-called microcalorimeters. As can be seen in FIG. 1, they essentially consist of the components: sorber 2, thermometer 1 and a coupling 5 to a heat sink or cold bath together.
Das Thermometer 1 ist hierbei ein sogenanntes Pha- senübergangsthermometer mit einem supraleitenden Material, das bei einer kritischen Temperatur, der Sprungtemperatur Tc, von der normalleitenden in die supraleitende Phase übergeht. Der Übergang vom normalleitenden in den supraleitenden Bereich erfolgt dabei aufgrund von Ma- terialinhomogenitäten nicht abrupt, sondern über einen Bereich ΔTübergang einiger mK, wie in Figur 2 gezeigt ist. In dem Übergangsbereich mit endlicher Breite ΔTubergang zeigt der elektrische Widerstand R des supraleitenden Materials eine starke Temperaturabhängigkeit, wodurch es sich zu einer sehr empfindlichen Temperaturmessung eignet. Als Arbeitspunkt bzw. Arbeitstemperaturpunkt des supraleitenden Materials wird dabei 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.The thermometer 1 is a so-called phase transition thermometer with a superconducting material that changes from the normally conductive to the superconducting phase at a critical temperature, the transition temperature T c . The transition from the normally conductive to the superconducting region does not occur abruptly due to material inhomogeneities, but rather over a region ΔT transition of a few mK, as shown in FIG. 2. In the transition region with finite width ΔT transition , the electrical resistance R of the superconducting material shows a strong temperature dependency, which makes it suitable for a very sensitive temperature measurement. The point of greatest slope with respect to the quotient from resistance change ΔR to temperature change ΔT in the transition region is selected as the working point or working temperature point of the superconducting material in order to achieve maximum sensitivity for temperature changes ΔT.
Das Funktionsprinzip des Mikrokalorimeters besteht darin, daß ein Teilchen oder Strahlung auf den Absorber 2 trifft und mit diesem wechselwirkt. Die somit lokal deponierte Energie ΔE breitet sich dann im Absorber aus, sie thermalisiert, und gelangt schließlich in das mit der Wärmesenke verbundene Thermometer 1. Dort bewirkt sie eine Temperaturerhöhung ΔT und führt zu einer Widerstand- sänderung ΔR, die von einer Ausleseelektronik 40, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, erfaßt werden kann.The principle of operation of the microcalorimeter is that a particle or radiation strikes the absorber 2 and interacts with it. The locally deposited energy .DELTA.E then spreads in the absorber, it thermalizes, and finally reaches the thermometer 1 connected to the heat sink. There, it causes a temperature increase .DELTA.T and leads to a change in resistance .DELTA.R, which is read out by readout electronics 40, such as it is shown in Figure 3 can be detected.
Die in Figur 3 stark vereinfacht gezeigte Ausleseelektronik 40 weist dabei einen Auslesekreis 44 mit zwei parallel geschalteten Ästen auf, nämliche einen einen Shunt-Widerstand Rs aufweisenden Ast und einen eine magnetische Auslesespule L und dazu in Reihe geschalteten Widerstand Rτ, der von dem Thermometer gebildet wird, aufweisenden Ast. Der Auslesekreis 44 wird von einem konstanten Strom I0 gespeist. Deponiert ein Teilchen oder Strahlung Energie im Mikrokalorimeter, so führt dies zu einer Widerstandsänderung im Thermometer Rτ, wodurch eine Änderung des Stroms Iτ bewirkt wird. Diese Änderung des Stroms wiederum führt zu einer Änderung des Magnetfelds in der Spule L, die schließlich von einem SQÜID 42 ("Superconducting Quantum Interference Device", einer supraleitenden Quanten-Interferenz-Vorrichtung) erfaßt wird. Das auf diese Weise erhaltene Meßsignal ist direkt proportional zur einfallenden Energie ΔE .The readout electronics 40 shown in greatly simplified form in FIG. 3 have a readout circuit 44 with two branches connected in parallel, namely a branch having a shunt resistor R s and a branch magnetic readout coil L and resistance R τ connected in series, which is formed by the thermometer, having branch. The readout circuit 44 is fed by a constant current I 0 . If a particle or radiation deposits energy in the microcalorimeter, this leads to a change in resistance in the thermometer R τ , which causes a change in the current I τ . This change in current in turn leads to a change in the magnetic field in the coil L, which is finally detected by an SQÜID 42 ("Superconducting Quantum Interference Device", a superconducting quantum interference device). The measurement signal obtained in this way is directly proportional to the incident energy ΔE.
US-A-5.641.961US-A-5,641,961
Aus dem amerikanischen Patent US-A-5.641.961 ist ein Tieftemperaturdetektor bekannt, der ein Phasenüber- gangsthermometer aufweist. Die elektrische Beschaltung der Ausleseelektronik entspricht im wesentlichen der, wie sie in Figur 3 gezeigt ist. Die Signalentstehung bzw. die Beschleunigung der Signale stellt jedoch eine Besonderheit dar:From the American patent US-A-5,641,961 a low-temperature detector is known which has a phase transition thermometer. The electrical wiring of the readout electronics essentially corresponds to that as shown in FIG. 3. The signal generation or the acceleration of the signals is a special feature:
Wie in Figur 4a gezeigt ist, wird die Temperatur der Wärmesenke Ts unterhalb der Sprungtemperatur Tc des Supraleiters bzw. des Thermometers gehalten. Durch eine geeignete Meßspannung U am Thermometer wird im Thermometer die Leistung PH= Pjoule = U2/R dissipiert, die genau so gewählt ist, daß das Thermometer nun im Übergangsbereich zwischen normalleitendem und supraleitendem Zustand stabilisiert wird, wie es in Figur 4b gezeigt ist.As shown in FIG. 4a, the temperature of the heat sink T s is kept below the step temperature T c of the superconductor or the thermometer. A suitable measuring voltage U on the thermometer dissipates the power P H = P joule = U 2 / R in the thermometer, which is selected so that the thermometer is now stabilized in the transition area between the normally conductive and superconducting state, as shown in FIG. 4b is.
Wird, wie es in Figur 4c zu sehen ist, aufgrund eines einfallenden Teilchens oder einer einfallenden Strahlung das Thermometer erwärmt, so hat dies eine Widerstandserhöhung bzw. Temperaturerhöhung ΔT+ und damit eine instantane Reduzierung ΔT. der Heizleistung entsprechend der Temperatur im Thermometer zur Folge, welche die Temperatur wieder zurück auf den Arbeitspunkt bringt. Damit wird der Erwärmung direkt entgegengewirkt, was zu einer Verkürzung der Signallänge, d.h. einer Beschleunigung, führt.Is, as can be seen in Figure 4c, due to an incident particle or radiation the thermometer warms, this has an increase in resistance or temperature increase ΔT + and thus an instantaneous reduction ΔT. the heating output corresponding to the temperature in the thermometer, which brings the temperature back to the working point. This directly counteracts the heating, which leads to a shortening of the signal length, ie an acceleration.
Ein Nachteil des Detektors ergibt sich bei der Messung höher energetischer Strahlung aufgrund des begrenzten dynamischen Bereichs. Wie in Figur 4a gezeigt worden ist, liegt die Temperatur der Wärmesenke Ts unterhalb der Sprungtemperatur Tc bzw. unterhalb des Ar- beitstemperaturpunkts, so daß durch einen durch das Thermometer fließenden Heizstrom das Thermometer bis zu seinem Arbeitstemperaturpunkt erwärmt werden muß. Je größer nun der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur der Wärmesenke und des Arbeitstemperaturpunkts 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 überschreiten darf. Sollen jedoch Teilchen oder Strahlung gemessen wer- den, die viel Energie deponieren, so muß zunächst die Temperatur der Wärmesenke Ts sehr niedrig eingestellt werden, um eine große Differenz zum Arbeitstemperaturpunkt und damit eine große Heizleistung zu gewährleisten. Je größer die Heizleistung ist, die zur Kompensation von Energiedepositionen zurückgefahren werden kann, desto größer kann die Teilchen- bzw. Strahlungsenergie sein, die mit der verkürzten 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 Um- formung der oben gezeigten Gleichung für die Heizleistung zu Pjoule = I2 ' R ist zu erkennen, daß aufgrund der Begrenzung des Heizstroms bis zur kritischen Stromstärke nur der elektrische Widerstand R variiert werden kann, um die Heizleistung zu vergrößern. Dieser elektrische Widerstand R ist jedoch von der Länge und Breite des Thermometerfilms abhängig, 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.A disadvantage of the detector arises when measuring higher-energy radiation due to the limited dynamic range. As has been shown in FIG. 4a, the temperature of the heat sink T s is below the transition temperature T c or below the working temperature point, so that the thermometer must be heated to its working temperature point by a heating current flowing through the thermometer. The greater the temperature difference between the temperature of the heat sink and the working temperature point, the greater the heating power and the associated heating current must be. However, this in turn is limited because it must not exceed the critical current specific to the superconducting material of the thermometer. If, however, particles or radiation are to be measured that deposit a lot of energy, the temperature of the heat sink T s must first be set very low in order to ensure a large difference from the working temperature point and thus a large heating output. The greater the heating power that can be reduced to compensate for energy depositions, the greater the particle or radiation energy that can be detected with the shortened signal time. However, since the thermometer also serves as a heating device in the detector used here, the heating current is limited by the critical current and therefore the dynamic range. However, if the largest possible dynamic range is to be set, a large heating output or energy dissipation in the thermometer is required. After transforming the equation for the heating power shown above to P joule = I 2 ' R, it can be seen that due to the limitation of the heating current up to the critical current, only the electrical resistance R can be varied in order to increase the heating power. However, this electrical resistance R depends on the length and width of the thermometer film, so that large lengths and small widths, for example, must be selected for large resistance values. This results in a limitation in the choice of the geometry of the thermometer.
Veröffentlichung von 0. MeierPublication of 0. Meier
Aus der Veröffentlichung Inst. Phys . Conf. Ser. No 158, Paper presented at Applied Superconductivity, The Netherlands, 30 June - 30 July 1997, 1997 IOP Publishing LTD, mit dem Titel, "SQUID-Amplifier for Cryogenic Par- ticle Detectors based on Superconducting Phase Transition Thermometers" von 0. Meier und anderen ist ein Tieftempe- raturkalorimeter bekannt, das ein Thermometer mit einer von diesem getrennten Heizeinrichtung aufweist.From the publication Inst. Phys. Conf. Ser. No 158, Paper presented at Applied Superconductivity, The Netherlands, 30 June - 30 July 1997, 1997 IOP Publishing LTD, with the title, "SQUID-Amplifier for Cryogenic Particle Detectors based on Superconducting Phase Transition Thermometers" by 0. Meier and others, a low-temperature calorimeter is known which has a thermometer with a heating device separate from it.
Figur 5 zeigt ein Schema der elektrischen Beschaltung eines derartigen Tieftemperaturkalorimeters . Hierbei ist der schon in Figur 3 erläuterte Auslesekreis 44 mit dem Shunt-Widerstand Rs in dem einen Ast und dem Thermometerwiderstand Rτ und der Spule L in dem anderen Ast dargestellt. Des weiteren ist ein Heizwiderstand RH, der an das Thermometer Rτ 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 einfallendes Teilchen oder einfallende Strahlung erwärmt, so wird durch die gerade erwähnte Rückkopplung die Heizleistung am Widerstand RH zurückge- nommen, um das Thermometer wieder zu dem Arbeitstemperaturpunkt zurückzuführen. Die Signalbeschleunigung erfolgt hier also durch die Rückkopplung des Heizwiderstands RH an den Auslesekreis 44.FIG. 5 shows a diagram of the electrical wiring of such a low-temperature calorimeter. The readout circuit 44 already explained in FIG. 3 is shown here with the shunt resistance R s in one branch and the thermometer resistance R τ and the coil L in the other branch. Furthermore, there is a heating resistor R H , which is thermally coupled to the thermometer R τ and via a control element 43 with a root extractor 43 and a conventional SQUID system 42 to the coil L for adjustment of the heating power is shown. If the thermometer is heated by an incident particle or incident radiation, the heating power at the resistor R H is reduced by the just mentioned feedback in order to return the thermometer to the working temperature point. The signal is accelerated here by the feedback of the heating resistor R H to the readout circuit 44.
Durch die Trennung des Thermometers und der Heizeinrichtung 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 Nachteile.By separating the thermometer and the heating device, the above-mentioned disadvantages of the detector from the American patent US-A-5,641,961 can be overcome. However, due to the fact that the thermometer is heated and cooled via a bond wire, which is both coupled to a heat sink and connected to a heating current source, the following disadvantages arise.
Zum einen weist der als Heizeinrichtung verwendete Bonddraht eine im Vergleich zum Thermometer hohe Wärmekapazität und durch die quasi punktförmige bzw. lokale Kopplung eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Dies führt zu einer verlangsamten Rückführung des Thermometers auf den Arbeitstemperaturpunkt und somit zu einer verschlech- terten Signalbeschleunigung (vergleiche hierzu Erläuterungen zu Figur 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 einen bestimmten dynamischen Bereich zu erhalten, ungefähr die doppelte Heizleistung aufgebracht werden. Die unbeabsichtigte Heizung der Wärmesenke bzw. des Kältebads führt jedoch zu einer Überbeanspruchung des Kältebads und somit zu einer Verringerung der Standzeit . Darstellung der ErfindungOn the one hand, the bonding wire used as a heating device has a high thermal capacity in comparison to the thermometer and, due to the quasi punctiform or local coupling, a low thermal conductivity. This leads to a slower return of the thermometer to the working temperature point and thus to a deteriorated signal acceleration (see explanations on FIG. 4c). On the other hand, the heating power is reduced because, depending on the coupling, about half of the heating power is given off to the heat sink. In other words, in order to obtain a certain dynamic range, approximately twice the heating power must be applied. However, the inadvertent heating of the heat sink or the cold bath leads to an overuse of the cold bath and thus to a reduction in the service life. Presentation of the invention
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das in der Veröffentlichung von 0. Meier offenbarte Mikrokalorimeter derart weiterzubilden, daß ein großer dynamischer Bereich bei minimaler Heizleistung einstellbar ist .It is an object of the present invention to further develop the microcalorimeter disclosed in the publication by 0. Meier in such a way that a large dynamic range can be set with minimal heating power.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Mikrokalorimeters gemäß Anspruch 1, hinsichtlich der Gruppe von Mi- krokalorimetern gemäß Anspruch 23 und hinsichtlich der Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung gemäß Anspruch 26 gelöst.This object is achieved with regard to the microcalorimeter according to claim 1, with regard to the group of microcalorimeters according to claim 23 and with regard to the device for measuring particles and radiation according to claim 26.
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 aufzubringenden Kühlleistung durch die Kühleinrichtung, da Heizleistung nicht direkt und ungenutzt an die Kühleinrich- tung abgegeben wird. Dadurch, daß zumindest die Kühleinrichtung flächig thermisch mit dem Sensorbauteil gekoppelt ist, erfolgt die Abkühlung des Sensorbauteils durch die Kühleinrichtung gleichmäßig, was wiederum zu einer Signalbeschleunigung führt. Dies wird zusätzlich 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 Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß die Heizein- richtung bzw. Kühleinrichtung bezüglich Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit oder Geometrie getrennt voneinander optimiert werden können. Beispielsweise kann die flächige Wärmekopplung zwischen dem Thermometer und der Heizeinrichtung auf einen geeigneten Wert gebracht werden, um eine optimale Signalamplitude zu erhalten. Dabei ist es vorteilhaft, eine im Vergleich zum Thermometer schlechtere Wärmeleitfähigkeit einzustellen, die eine im Vergleich zur Reduzierung der Heizleistung langsamere Energieabfuhr in die Wärmesenke und damit eine große Signalamplitude bzw. Pulshöhe bewirkt. Auf diese Weise wird eine gute Energieauflösung 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 Beschleunigung der Signale und eine Steigerung der Energieauflösung erreicht wird.The microcalorimeter according to the present invention comprises a sensor component consisting of a thermometer with a superconducting material and an absorber thermally coupled to the thermometer, a cooling device, a heating device and a reading device. Because the cooling device and the heating device are separate devices which are thermally coupled separately from one another to the sensor component, the heating device can be arranged in such a way that the heat emitted by it flows through the thermometer into the cooling device. This leads to a minimization of the heating power or to a minimization of the cooling power to be applied by the cooling device, since heating power is not given directly and unused to the cooling device. Characterized in that at least the cooling device is thermally coupled to the sensor component, the cooling of the sensor component by the cooling device takes place uniformly, which in turn leads to a signal acceleration. This is additionally promoted by a flat thermal coupling of the heating device to the sensor component. Flat thermal Coupling here means that the coupling takes place over an extensive contact area and not only in a quasi-punctiform manner as with bond wires. Another advantage of the arrangement according to the invention is that the heating device or cooling device can be optimized separately from one another with regard to thermal capacity, thermal conductivity or geometry. For example, the areal heat coupling between the thermometer and the heating device can be brought to a suitable value in order to obtain an optimal signal amplitude. It is advantageous to set a poorer thermal conductivity in comparison to the thermometer, which results in a slower energy dissipation into the heat sink in comparison with the reduction in the heating power and thus a large signal amplitude or pulse height. This ensures a good energy resolution. However, the areal coupling offers the decisive advantage of uniform cooling of the thermometer, as a result of which temperature gradients within the thermometer are avoided and, in turn, the signals are accelerated and the energy resolution increased.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Heizeinrichtung dabei ein oder mehrere Heizele- mente auf, die an das Sensorbauteil gekoppelt sind. Hierdurch ist es möglich, entweder nur das Thermometer oder nur den Absorber mittels eines Heizelements oder gleichzeitig das Thermometer und den Absorber mit jeweils eines Heizelements zu beheizen. Des weiteren kann eine Vielzahl von Heizelementen an das Sensorbauteil gekoppelt werden, um eine gleichmäßige Wärmezufuhr zu gewährleisten.According to an advantageous embodiment of the invention, the heating device has one or more heating elements which are coupled to the sensor component. This makes it possible to heat either only the thermometer or only the absorber by means of a heating element or simultaneously the thermometer and the absorber with one heating element each. Furthermore, a large number of heating elements can be coupled to the sensor component in order to ensure an even supply of heat.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wärmekapazität eines Heizelements so dimensioniert, daß sie kleiner oder gleich der Wärmekapazität des Systems aus Thermometer und Absorber ist. Hier- aus ergibt sich, daß nur eine geringe Wärmemenge im Heizelement gespeichert werden kann, die bei Erwärmung des Thermometers als Folge einer Energiedeposition eines einfallenden Teilchens oder einer einfallenden Strahlung nach Reduzierung des Heizstroms im Heizelement schnell abgeführt wird. Hierdurch kann weiter eine schnelle Rückstellung des Thermometers in den Arbeitstemperaturpunkt erreicht werden, was eine Signalbeschleunigung bewirkt. Diese verbesserte Beschleunigung kann ferner durch eine Optimierung der Wärmeleitfähig 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 mäander- förmig auszubilden. Statt einen Heizfilm aufzubringen ist es auch möglich, daß das Heizelement von einem mit einer Heizstromquelle verbundenen Widerstandselement gebildet wird, das auf das Sensorbauteil aufgeklebt ist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the heat capacity of a heating element is dimensioned such that it is less than or equal to the heat capacity of the system of thermometer and absorber. Here- from it follows that only a small amount of heat can be stored in the heating element, which is rapidly dissipated when the thermometer is heated as a result of an energy deposition of an incident particle or radiation after reduction of the heating current in the heating element. As a result, a rapid return of the thermometer to the working temperature point can be achieved, which causes a signal acceleration. This improved acceleration can also be achieved by optimizing the thermal conductivity, which is created in that a heating element is formed by a heating film which is connected to a heating current source and is applied to the surface of the sensor component. It proves to be advantageous here to make the heating film meandering. Instead of applying a heating film, it is also possible for the heating element to be formed by a resistance element which is connected to a heating current source and which is glued to the sensor component.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühleinerichtung 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 Ver- gleich zum Substrat eine schwächere, jedoch trotzdem gleichmäßige thermische Kopplung des Thermometers an die Wärmesenke ermöglicht. Des weiteren ergibt sich bei der Messung von Röntgenstrahlung der Vorteil, daß unterhalb des Thermometers 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.According to a further advantageous embodiment of the invention, the cooling device for coupling to the sensor component has, for example, a substrate, an electrically insulating layer or a membrane. The advantages of the membrane lie in the fact that, compared to the substrate, it enables a weaker, but nevertheless uniform, thermal coupling of the thermometer to the heat sink. Furthermore, when measuring X-rays, there is the advantage that the probability of absorption below the thermometer is very minimized due to the small thickness compared to the substrate. In contrast to the substrate, there is therefore no deterioration in the energy resolution due to interfering signals.
Um eine große Signalamplitude und somit auch eine gute Energieauflösung von im Absorber auftretenden Er- 10By a large signal amplitude and thus also a good energy resolution of the energy occurring in the absorber 10
eignissen am Thermometer registrieren zu können, ist es notwendig, eine gute Kopplung der beiden Komponenten zu gewährleisten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das Thermometer direkt auf dem Absorber aufgebracht ist. Ist hingegen eine Ortsauflösung des im Absorber auftretenden Ereignisses gewünscht, so wird der Absorber über eine Verbindungseinrichtung lokal an das Thermometer gekoppelt. Die Verbindungseinrichtung kann dabei ein Bonddraht sein, der Absorber und Thermometer miteinander verbindet. Es ist aber auch möglich, Absorber und Thermometer so nebeneinander anzuordnen, daß auch wiederum nur eine lokale Kopplung ausgebildet wird.To be able to register events on the thermometer, it is necessary to ensure a good coupling of the two components. This can be achieved by applying the thermometer directly to the absorber. If, on the other hand, a spatial resolution of the event occurring in the absorber is desired, the absorber is locally coupled to the thermometer via a connecting device. The connecting device can be a bond wire that connects the absorber and the thermometer. However, it is also possible to arrange the absorber and thermometer next to one another in such a way that again only a local coupling is formed.
Für eine verbesserte Ortsauflösung eines im Absorber auftretenden Ereignisses ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung möglich, das Thermometer mit einer Vielzahl von Thermometerelementen auszubilden, die jeweils an verschiedenen Stellen an den Absorber gekoppelt sind.For an improved spatial resolution of an event occurring in the absorber, it is possible according to a further advantageous embodiment of the invention to design the thermometer with a large number of thermometer elements which are each coupled to the absorber at different points.
Vorteilhafterweise weist die Ausleseelektronik ein SQUID-System mit einem einzelnen SQUID oder einer Gruppe aus SQUIDs auf.The readout electronics advantageously have a SQUID system with a single SQUID or a group of SQUIDs.
Für die in dem Mikrokalorimeter eingesetzten Komponenten sind folgende Materialien vorteilhaft. Das Thermometer kann hierbei beispielsweise einen Elementsupraleiter, einen Hochtemperatursupraleiter, eine Legierung, eine Zweischichtstruktur aus zwei Supraleitern, eine Zweischichtstruktur aus einem Supraleiter und einem Normalleiter oder eine Dreischichtstruktur aus Normalleitern und Supraleitern aufweisen. Dabei bestehen die Elementsupraleiter beispielsweise aus Wolfram, Iridium, Aluminium oder Tantal, die Zweischichtstrukturen aus einer Kombina- tion von Iridium/Gold, Iridium/Silber, Aluminium/Silber, Tantal/Silber, Tantal/Gold, Titan/Aluminium oder Ti- 11The following materials are advantageous for the components used in the microcalorimeter. The thermometer can have, for example, an element superconductor, a high-temperature superconductor, an alloy, a two-layer structure composed of two superconductors, a two-layer structure composed of a superconductor and a normal conductor, or a three-layer structure composed of normal conductors and superconductors. The element superconductors consist, for example, of tungsten, iridium, aluminum or tantalum, the two-layer structures from a combination of iridium / gold, iridium / silver, aluminum / silver, tantalum / silver, tantalum / gold, titanium / aluminum or titanium 11
tan/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 Quecksilber-Tellurid, Kadmium- Tellurid oder Quecksilber-Kadmium-Tellerurid, oder Su- pralleiter wie Tantal, Aluminium oder Blei oder eine Kombination der einzelnen Materialien auf. Der Heizfilm kann aus Gold oder Silber oder Platin bestehen. Das Substrat ist beispielsweise aus Silizium, Germanium oder Saphir und die Membran aus Silizium-Nitrid, Silizium-Oxid oder Aluminium-Oxid ausgebildet.tan / gold. The absorber and the substrate have, for example, a dielectric such as sapphire, a semiconductor such as silicon, germanium or gallium arsenide, or a metal such as gold or silver, a semimetal such as bismuth, semimetal alloys such as mercury-telluride, cadmium-telluride or mercury-cadmium-plate uride, or super conductor such as tantalum, aluminum or lead or a combination of the individual materials. The heating film can be made of gold or silver or platinum. The substrate is made of silicon, germanium or sapphire, for example, and the membrane is made of silicon nitride, silicon oxide or aluminum oxide.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vielzahl von Mikrokalorimetern gemäß der vorliegenden Erfindung zu einer Gruppe von Mikrokalorimetern nebeneinander angeordnet. Es können hierbei zum einen dreidimensionale Strukturen ausgebildet werden, die beispielsweise zur Beobachtung um ein Objekt herum ange- ordnet sind. Zum andern sind auch zwei dimensionale Strukturen möglich, bei denen die Vielzahl von Mikrokalorimetern, analog zu einer CCD-Kamera, in einer Ebene angeordnet wird.According to a further advantageous embodiment of the invention, a multiplicity of microcalorimeters according to the present invention are arranged next to one another to form a group of microcalorimeters. On the one hand, three-dimensional structures can be formed, which are arranged, for example, for observation around an object. On the other hand, two-dimensional structures are also possible, in which the large number of microcalorimeters, analogous to a CCD camera, is arranged in one plane.
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 Kühleinrichtung, mit einer zweiten Kühlein- richtung, die von der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt wird und selbst eine Betriebstemperatur (Ts) bereitstellt und mit einer Eintrittsöffnung zum Durchlassen von Teilchen und Strahlung als Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Teilchen und Strahlung verwendet. Das Mikrokalorime- ter ist dabei an die zweite Kühleinrichtung thermisch gekoppelt. 12According to a further advantageous embodiment of the invention, a microcalorimeter or a group of microcalorimeters according to the invention is placed in a device for measuring particles and radiation with a first cooling device, with a second cooling device which is precooled by the first cooling device and itself an operating temperature ( T s ) and used with an inlet opening for the passage of particles and radiation as a detection device for detecting particles and radiation. The microcalorimeter is thermally coupled to the second cooling device. 12
Vorteilhafterweise weist die erste Kühleinrichtung einen 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 Entmagneti- sierungsstufe, einen 3He/He-Entmischungskühler, einen 3He-Kühler, eine mechanische Kühleinrichtung wie einen Helium-Kompressorkühler, eine elektrische Kühleinrichtung wie ein Peltierelement oder eine supraleitende Tunneldiode wie eine NIS-Diode auf.The first cooling device advantageously has a coupled nitrogen / helium cooler, a pulse tube cooler, a mechanical cooling device such as a helium compression cooler or an electrical cooling device such as a Peltier element. The second cooling device has, for example, a demagnetization stage, a 3 He / He separation cooler, a 3 He cooler, a mechanical cooling device such as a helium compressor cooler, an electrical cooling device such as a Peltier element or a superconducting tunnel diode such as an NIS diode.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung weist die Vorrichtung eine Fokussierungseinrichtung wie beispielsweise eine Röntgenlinse, eine Wolter-Anordnung, eine Fresnellinse, fokussierende Röhrenbündel, elektrische Fokussierungseinrichtungen oder magnetische Fokussie- rungseinrichtungen auf, die von der Erfassungseinrichtung aus in Richtung der Eintrittsöffnung betrachtet, vor oder hinter der Eintrittsöffnung angeordnet ist.According to a further advantageous embodiment of the device for measuring particles and radiation, the device has a focusing device such as, for example, an X-ray lens, a Wolter arrangement, a Fresnel lens, focusing tube bundles, electrical focusing devices or magnetic focusing devices which point in the direction from the detection device considered the inlet opening, is arranged in front of or behind the inlet opening.
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 result from the following description of preferred embodiments with reference to the drawing.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Mi- krokalorimeters mit seinen wesentlichen Komponenten,FIG. 1 shows a schematic illustration of a microcalorimeter with its essential components,
Figur 2 einen Diagramm, das einen typischen Ver- lauf eines Phasenübergangs eines Thermometers in einem Mikrokalorimeter darstellt, 13FIG. 2 shows a diagram which shows a typical course of a phase transition of a thermometer in a microcalorimeter, 13
Figur 3 eine stark vereinfachte schematische Darstellung der Ausleseelektronik eines Mikrokalorimeters,FIG. 3 shows a greatly simplified schematic illustration of the readout electronics of a microcalorimeter,
Figuren 4 jeweils ein Widerstands-Temperatur-Diagramm, durch die das Einstellen des Thermometers auf den Arbeitstemperaturpunkt bzw. die Reaktion des Thermometers auf im Absorber stattfindende Ereignisse erläutert werden,4 each show a resistance-temperature diagram, by means of which the setting of the thermometer to the working temperature point or the reaction of the thermometer to events taking place in the absorber are explained,
Figur 5 ein schematische Darstellung der elektrischen Beschaltung eines Tieftemperaturkalorimeters im Stand der Technik nach 0. Meier und anderen,FIG. 5 shows a schematic representation of the electrical wiring of a low-temperature calorimeter in the prior art according to 0. Meier and others,
Figur 6 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,FIG. 6 shows a schematic illustration of a first exemplary embodiment of the invention,
Figur 7 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,FIG. 7 shows a schematic illustration of a second exemplary embodiment of the invention,
Figur 8 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,FIG. 8 shows a schematic illustration of a third exemplary embodiment of the invention,
Figuren 9 eine schematische Darstellung einer realen Geometrie der dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,9 shows a schematic representation of a real geometry of the third exemplary embodiment of the invention,
Figuren 10 eine schematische Darstellung einer realen Geometrie einer vierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,10 shows a schematic representation of a real geometry of a fourth exemplary embodiment of the invention,
Figur 11 eine schematische Darstellung einer fünften beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,FIG. 11 shows a schematic illustration of a fifth exemplary embodiment of the invention,
Figur 12 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Gruppe von Mikrokalo- 14FIG. 12 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a group of microcalocal 14
rimetern in einer ebenen Anordnung gemäß der Erfindung, undrimimeters in a flat arrangement according to the invention, and
Figur 13 eine schematische Darstellung einer bei- spielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen von Strahlung gemäß der Erfindung.FIG. 13 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a device for measuring radiation according to the invention.
Mikrokalorimeter : AusführungsformenMicrocalorimeter: embodiments
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier, wie auch in den folgenden Figuren, werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet .FIG. 6 shows a schematic illustration of the arrangement of the individual components of a microcalorimeter according to a first exemplary embodiment of the present invention. Here, as in the following figures, the same parts are designated with the same reference numerals.
Dabei ist, von unten nach oben betrachtet, zunächst auf ein mit einer Wärmesenke (nicht dargestellt) ver- bundenen Substrat 30 ein Thermometerfilm 1, auf diesen Thermometerfilm 1 dann ein Absorber 2 und ein Heizfilm 20 aufgebracht. 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 erreicht, die eine Signalbeschleunigung bewirkt. Des weiteren wird die gesamte vom Heizfilm 20 aufgebrachte Heizleistung über das Thermometer 1 in die Wärmesenke abgeführt, so daß im wesentlichen nur die zum Einstellen des Arbeitstemperaturpunkts notwendige Heizleistung bereit gestellt werden muß, um einen bestimmten dynamischen Bereich einzustellen.When viewed from the bottom up, a thermometer film 1 is first applied to a substrate 30 connected to a heat sink (not shown), then an absorber 2 and a heating film 20 are applied to this thermometer film 1. All components are thermally coupled to one another. As has already been mentioned, due to the coupling of the thermometer 1 over a large area to the heat sink, uniform cooling is achieved, which causes a signal acceleration. Furthermore, the entire heating power applied by the heating film 20 is dissipated into the heat sink via the thermometer 1, so that essentially only the heating power necessary for setting the working temperature point has to be provided in order to set a certain dynamic range.
Ein typischer Herstellungsprozeß wird bezüglich der Erläuterung der realen Geometrie der dritten vorteilhaften Ausführungsform kurz skizziert. 15A typical manufacturing process is briefly outlined with regard to the explanation of the real geometry of the third advantageous embodiment. 15
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.FIG. 7 shows a schematic representation of the arrangement of the individual components of a microcalorimeter according to a second exemplary embodiment of the present invention.
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 Thermometerfilm 1 ist dann ein Absorber 2 und auf diesen wiederum ein Heizfilm 20 aufgebracht. Auch hier sind alle Komponenten wieder aneinander flächig thermisch gekoppelt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform wird hier durch die Kopplung des Heizfilms 20 an den Absorber 2 eine großflächigere und damit gleichmäßigere Heizung des Thermometers 1 erreicht. Auch hierdurch kann wiederum eine Beschleunigung der Signal bewirkt werden.Similar to the first advantageous embodiment, when viewed from bottom to top, a thermometer film 1 is first applied to a substrate 30 connected to a heat sink (not shown). An absorber 2 is then applied to this thermometer film 1 and a heating film 20 is applied to this. Here, too, all components are thermally coupled to one another. In contrast to the first embodiment, the heating film 20 is coupled to the absorber 2 to achieve a more extensive and thus more uniform heating of the thermometer 1. This can also cause the signal to accelerate.
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform stellt eine Kombination der ersten beiden Ausführungsformen dar.FIG. 8 shows a schematic illustration of the arrangement of the individual components of a microcalorimeter according to a third exemplary embodiment of the present invention. This embodiment represents a combination of the first two embodiments.
Auf ein mit einer Wärmesenke (nicht dargestellt) verbundenen Substrat 30 ist ein Thermometerfilm 1, auf diesen Thermometerfilm 1 ein Absorber 2 und ein Heizfilm 20 aufgebracht. Schließlich ist auch der Absorber 2 wiederum mit einem Heizfilm 20 versehen. Alle Komponenten sind aneinander flächig thermisch gekoppelt. Die Heizfilme 20 am Absorber 2 und am Thermometer 1 können dabei in Serie, parallel oder unabhängig mit zwei verschiedenen Quellen beschaltet werden. Ein Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß eine großflächige und damit gleichmäßige Heizung des Thermometers 1 bereit gestellt wird, wodurch ei- 16A thermometer film 1 is applied to a substrate 30 connected to a heat sink (not shown), and an absorber 2 and a heating film 20 are applied to this thermometer film 1. Finally, the absorber 2 is again provided with a heating film 20. All components are thermally coupled to one another. The heating films 20 on the absorber 2 and on the thermometer 1 can be connected in series, in parallel or independently with two different sources. One advantage of this arrangement is that a large-area and thus uniform heating of the thermometer 1 is provided, which means that 16
ne gute Wärmeleitfähig erreicht werden kann. Ferner kann je nach Wärmekapazität der einzelnen Komponenten 1,2,20 eine mehr oder weniger schnelle aktive Kühlung von Absorber 2 und Thermometer 1 erreicht werden. Unter aktiver Kühlung versteht man dabei die Wegnahme der Heizleistung bei einem im Absorber stattfindenden Ereignis. Wie bereits erwähnt worden ist, sind eine geringe Wärmekapazität der Komponenten Absorber 2 und Heizfilm 20 bzw. eine gute Wärmeleitfähigkeit zum Thermometer 1 eine Vorraus- setzung für eine schnelle aktive Kühlung und somit eine Beschleunigung der Signale.ne good thermal conductivity can be achieved. Furthermore, depending on the heat capacity of the individual components 1, 2, 20, a more or less fast active cooling of absorber 2 and thermometer 1 can be achieved. Active cooling means the loss of heating power in the event of an event taking place in the absorber. As has already been mentioned, a low heat capacity of the absorber 2 and heating film 20 components or good thermal conductivity to the thermometer 1 are a prerequisite for rapid active cooling and thus acceleration of the signals.
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 Energiedeposition 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, wo- durch eine gute Energieauflösung bezüglich einfallenden zu beobachtenden Teilchen bzw. Strahlung erzielt werden kann.A special feature of this embodiment is the areal coupling of the absorber 2 to the thermometer 1. If there is an energy deposition of a particle in the absorber 2, the energy thermalizing in the direction of the thermometer 1 can be quickly released to the thermometer 1. This causes a rapidly increasing signal pulse with a large amplitude, whereby a good energy resolution with regard to incident particles or radiation to be observed can be achieved.
Die Figuren 9 zeigen eine schematische Darstellung einer realen Geometrie der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.FIGS. 9 show a schematic representation of a real geometry of the individual components of a microcalorimeter according to the third exemplary embodiment of the invention.
Dabei zeigt Figur 9a eine Draufsicht auf die Mikro- kaloriemeteranordnung, Figur 9b eine Schnittansicht entlang der in Figur 9a dargestellten Linie b-b und Figur 9c eine Schnittansicht entlang der in Figur 9a dargestellten Linie c-c. Von oben nach unten betrachtet wird das Thermometer 1 über Kontaktierflächen aus Aluminium, sogenann- te Aluminium-Bondpads 35,36 elektrisch kontaktiert und über supraleitende Drähte 45,46 mittels einer Ausle- 179a shows a top view of the microcalorimeter arrangement, FIG. 9b shows a sectional view along line bb shown in FIG. 9a and FIG. 9c shows a sectional view along line cc shown in FIG. 9a. Viewed from top to bottom, thermometer 1 is electrically contacted via contacting surfaces made of aluminum, so-called aluminum bond pads 35, 36, and via superconducting wires 45, 46 by means of an 17
seelektronik (nicht dargestellt) , die im wesentlichen der aus der Veröffentlichung von 0. Meier bekannten entspricht, ausgelesen. Als Heizelemente sind Goldheizer über einen elektrisch leitenden Absorber 2 verbunden. Sie werden über Aluminium-Bondpads 37, 38 elektrisch kontaktiert und über supraleitende Drähte 47,48 an eine Spannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen. Die Goldheizer sind über ihre thermische Leitfähigkeit an das Thermometer 1 und den Absorber gekoppelt.seelektronik (not shown), which essentially corresponds to that known from the publication by 0. Meier. Gold heaters are connected as heating elements via an electrically conductive absorber 2. They are electrically contacted via aluminum bond pads 37, 38 and connected to a voltage source (not shown) via superconducting wires 47, 48. The gold heaters are coupled to thermometer 1 and the absorber via their thermal conductivity.
Ein typischer Herstellungsprozeß für eine derartige Anordnung der Komponente eines Mikrokalorimeters verläuft kurz dargestellt folgendermaßen. Zuerst wird ein Thermometerfilm 1 auf das Substrat 30 aufgedampft oder gesput- tert. Sodann erfolgt eine Strukturierung des Thermometers 1 mittels eines photolithografischen Prozesses bzw. Ätzen und Sputtern. Daraufhin wird mittels eines photolithographischen Prozesses eine sogenannte Lift-Off-Maske für die Heizer 22,23 erstellt. Die Heizer 22,23 werden aufge- dampft bzw. gesputtert und die Lift-Off-Maske wird entfernt. Anschließend wird eine Lift-Off-Maske für den Absorber 2 mittels 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 photolithographischen Prozesses erstellt. Die Aluminium-Bondpads 35,36,37,38 werden aufgedampft bzw. gesputtert und die Lift-Off-Maske wird entfernt.A typical manufacturing process for such an arrangement of the component of a microcalorimeter is briefly described as follows. First, a thermometer film 1 is evaporated or sputtered onto the substrate 30. The thermometer 1 is then structured by means of a photolithographic process or etching and sputtering. A so-called lift-off mask for the heaters 22, 23 is then created using a photolithographic process. The heaters 22, 23 are vapor-deposited or sputtered and the lift-off mask is removed. A lift-off mask for the absorber 2 is then created using a photolithographic process. The absorber 2 is evaporated or sputtered and the lift-off mask is removed. A lift-off mask for the aluminum bond pads 35, 36, 37, 38 is then created using a photolithographic process. The aluminum bond pads 35, 36, 37, 38 are sputtered on and the lift-off mask is removed.
Die Figuren 10 zeigen eine schematische Darstellung einer realen Geometrie der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters gemäß der vierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.10 shows a schematic representation of a real geometry of the individual components of a microcalorimeter according to the fourth exemplary embodiment of the invention.
Der Aufbau des Mikrokalorimeters dieser Ausführungsform entspricht im wesentlichen dem der dritten bei- 18The structure of the microcalorimeter of this embodiment corresponds essentially to that of the third two 18th
spielhaften 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 beispielsweise durch Ätzen entfernt wird. Wie bereits erwähnt wird durch diese Anordnung besonders bei der Messung von Röntgenstrahlung die Energieauflösung verbessert, da die Wahrscheinlichkeit für störende Signale, die von Ereignissen unterhalb des Thermometers 1 her- rühren, minimiert werden.playful embodiment, with the difference that the thermometer 1 is arranged on a membrane 32. This membrane 32 is applied to the substrate 30 during manufacture, the substrate 30 below the thermometer 1 then being removed, for example by etching. As already mentioned, this arrangement improves the energy resolution, particularly when measuring X-ray radiation, since the probability of disruptive signals resulting from events below the thermometer 1 is minimized.
Typische Dimensionen für die in Mikrokalorimetern gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Komponenten betragen für das Thermometer 1 1mm x 1mm x 0. lμm, für den Absorber 2 250μm x 250μm x lμm, für die Membran 32 1,5mm x 1,5mm x 0,4 μm und für das Substrat 30 1,5mm x 1,5mm x lmm.Typical dimensions for the components used in microcalorimeters according to the present invention are 1 mm × 1 mm × 0.1 μm for the thermometer, 250 μm × 250 μm × 1 μm for the absorber 2, 1.5 mm × 1.5 mm × 0.4 for the membrane 32 μm and for the substrate 30 1.5mm x 1.5mm x lmm.
Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung der An- Ordnung der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.FIG. 11 shows a schematic illustration of the arrangement of the individual components of a microcalorimeter according to a fifth exemplary embodiment of the present invention.
Der Aufbau des Mikrokalorimeters dieser Ausfüh- rungsform 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, wobei der Absorber 2 nicht mit einem Heizelement versehen ist. Diese kleinflächige bzw. lokale Kopplung der beiden Komponenten 1,2 bewirkt zwar eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit als die großflächige Kopplung gemäß der dritten Ausführungsform und damit eine schlechtere Energieauflösung, es ist jedoch eine ortsaufgelöste Erfassung von im Absorber 2 stattfindenden Ereig- nissen möglich. 19The structure of the microcalorimeter of this embodiment essentially corresponds to that of the third exemplary embodiment, with the difference that the thermometer 1 is coupled to the absorber 2 via a bonding wire 5, the absorber 2 not being provided with a heating element. Although this small-area or local coupling of the two components 1, 2 results in poorer thermal conductivity than the large-area coupling in accordance with the third embodiment and thus a poorer energy resolution, a spatially resolved detection of events taking place in the absorber 2 is possible. 19
Wechselwirkt eine einfallendes Teilchen oder einfallende Strahlung im Absorber 2 in der Nähe des verbindenden Bonddrahts 5, so wird relativ schnell Wärme über den Bonddraht 5 an das Thermometer 1 abgegeben und nur ein kleiner Teil der deponierten Energie thermalisiert im Absorber. Dies hat einen schnell ansteigenden Signalpuls mit großer Amplitude zur Folge. Wechselwirkt eine einfallendes Teilchen oder einfallende Strahlung hingegen im Absorber 2 weit entfernt 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.If an incident particle or incident radiation interacts in the absorber 2 in the vicinity of the connecting bonding wire 5, heat is released relatively quickly via the bonding wire 5 to the thermometer 1 and only a small part of the deposited energy is thermalized in the absorber. This results in a rapidly increasing signal pulse with a large amplitude. If, however, an incident particle or radiation interacts in the absorber 2, far away from the connecting bonding wire 5, the energy first thermalizes in the absorber 2 and only then reaches the thermometer 1. A slowly increasing signal pulse with a small amplitude thus arises.
Gruppe von MikrokalorimeternGroup of micro calorimeters
Figur 12 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Gruppe von Mikro- kalorimetern in einer ebenen Anordnung gemäß der Erfindung.FIG. 12 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a group of microcalorimeters in a planar arrangement according to the invention.
Stark vereinfacht und der besseren Übersicht halber etwas auseinander dargestellt sind Mikrokalorimeter mit ihren Sensorbauteilen bestehend aus Absorber 2 und Thermometer 1 gezeigt, die in einer Ebene nebeneinander ähnlich dem Prinzip einer CCD-Kamera angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich zweidimensionale Abbildung mit den Vorteilen für die erfindungsgemäßen Mikrokalorimeter erstellen.Microcalorimeters with their sensor components consisting of absorber 2 and thermometer 1, which are arranged in a plane next to one another similar to the principle of a CCD camera, are shown in a greatly simplified manner and, for the sake of a better overview, shown somewhat apart. In this way, two-dimensional imaging with the advantages for the microcalorimeter according to the invention can be created.
Vorrichtung zum Messen von Teilchen und StrahlungDevice for measuring particles and radiation
Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen von Strahlung gemäß der Erfindung. 20FIG. 13 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a device for measuring radiation according to the invention. 20th
Von innen nach außen betrachtet, ist eine Erfassungseinrichtung 100 für Teilchen und Strahlung, in diesem Fall ein erfindungsgemäßes Mikrokalorimeter bzw. eine Gruppe von Mikrokalorimetern an eine Entmagneti- sierungsstufe 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 Tem- peratur von 4K bereitstellt, umgeben. Durch ein Vakuum 102 abgetrennt folgt ein heliumgekühlter Schild 114, der, durch ein weiteres Vakuum 102 abgetrennt, von einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Behältnis 116, das ungefähr eine Temperatur von 77K bereitstellt, umgeben wird. Durch ein weiteres Vakuum 102 getrennt ist die gesamte innere Anordnung von einem äußeren Mantel 120 umgeben. Damit Strahlung auf die Erfassungseinrichtung 100 treffen kann, sind Eintrittsfenster 118 vorgesehen.Viewed from the inside out, a detection device 100 for particles and radiation, in this case an inventive microcalorimeter or a group of microcalorimeters, is thermally coupled to a demagnetization stage 110, which represents a heat sink with a temperature of approximately 50 to 100 mK . This arrangement is surrounded by a container 112 filled with liquid helium, which provides approximately a temperature of 4K. Separated by a vacuum 102, a helium-cooled shield 114 follows, which, separated by a further vacuum 102, is surrounded by a container 116 filled with liquid nitrogen, which provides a temperature of approximately 77K. Separated by a further vacuum 102, the entire inner arrangement is surrounded by an outer jacket 120. Entry windows 118 are provided so that radiation can strike the detection device 100.
Eine derartige Vorrichtung eignet sich beispielsweise zur Untersuchung von Oberflächenverunreinigungen mittels Röntgenfluoreszensanalyse, wobei sich das zugrunde liegende Meßprinzip folgendermaßen darstellen läßt. Mit einer Röntgenquelle wird Röntgenstrahlung auf die zu unter- suchende Oberfläche eingestrahlt, wodurch die Atome auf der Oberfläche angeregt werden. Diese Oberflächenatome senden bei ihrer Relaxation bzw. Abregung die sogenannte Röntgenfluoreszenzstrahlung aus, die für jedes Element eine charakteristische Wellenlänge bzw. Frequenz auf- weist. Der Nachweis der Röntgenfluoreszenzstrahlung geschieht mit der oben beschriebenen Vorrichtung, wobei anhand der gemessenen Frequenzverteilung auf die Häufigkeit der Oberflächenverunreinigungen und deren genaue Zusammensetzung geschlossen werden kann. 21Such a device is suitable, for example, for examining surface contaminants by means of X-ray fluorescence analysis, the basic measurement principle being able to be represented as follows. With an X-ray source, X-rays are radiated onto the surface to be examined, whereby the atoms on the surface are excited. During their relaxation or de-excitation, these surface atoms emit the so-called X-ray fluorescence radiation, which has a characteristic wavelength or frequency for each element. The detection of the X-ray fluorescence radiation takes place with the device described above, it being possible to use the measured frequency distribution to infer the frequency of the surface contaminations and their exact composition. 21
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung bietet hierbei den Vorteil, daß aufgrund des großen einstellbaren dynamischen Bereichs ein breites Energiespektrum von Strahlung erfaßt werden kann. Des weiteren ist aufgrund der guten Energieauflösung eine genaue Differenzierung verschiedener Elemente möglich, selbst wenn deren Rönt- genlinien dicht beieinander liegen. Zusätzlich dazu können große Oberflächen untersucht werden, da zum einen aufgrund der Signalbeschleunigung wenig Meßzeit er- forderlich ist und zum anderen aufgrund der minimierten Heizleistung, die zweite Kühleinrichtung, wie beispielsweise die Entmagnetisierungsstufe, lange auf ihrer Temperatur gehalten werden kann.A device according to the invention has the advantage that, due to the large, adjustable dynamic range, a wide energy spectrum of radiation can be detected. Furthermore, due to the good energy resolution, an exact differentiation of different elements is possible, even if their X-ray lines are close together. In addition, large surfaces can be examined because, on the one hand, due to the signal acceleration, little measurement time is required and, on the other hand, due to the minimized heating power, the second cooling device, such as the demagnetization stage, can be kept at its temperature for a long time.
Offenbart ist ein Mikrokalorimeter bzw. einer 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 Anordung läßt sich ein großer dynamischer Bereich bei minimaler Heizleistung einstellen, es kann aber außerdem eine getrennte Optimierung der Kühleinrichtung und der Heizeinrichtung bewirkt werden, wodurch eine verbesserte Energieauflösung bzw. eine Signalbeschleunigung erreicht wird. Derartige Mikrokalori- meter 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 . 22Disclosed is a microcalorimeter or a group of microcalorimeters which have a sensor component consisting of a thermometer with a superconducting material and an absorber thermally coupled to the thermometer, a cooling device, a heating device and a readout device, the cooling device and the heating device being separate from one another are thermally coupled to the sensor component and at least the cooling device is thermally coupled flat to the sensor component. This arrangement allows a large dynamic range to be set with minimal heating power, but it is also possible to optimize the cooling device and the heating device separately, as a result of which an improved energy resolution or signal acceleration is achieved. Microcalorimeters of this type are used, for example, in material analysis or quality assurance by means of X-ray fluorescence analysis, preferably in the semiconductor industry, but are also suitable for determining molecules in biotechnology. 22
BezugszeichenlisteReference list
1 Thermometer1 thermometer
2 Absorber2 absorbers
5 Bonddraht zwischen Absorber und Thermometer5 bond wire between absorber and thermometer
9 einfallendes Teilchen9 incident particles
10 Kühleinrichtung, Koppelung an die Wärme- senke10 Cooling device, coupling to the heat sink
20 Heizeinrichtung, Heizfilm20 heating device, heating film
22, 23 Goldheizer22, 23 gold heater
30 Substrat30 substrate
32 Membran 3 355,,3 366 Aluminiumbondpads am Thermometer32 membrane 3 355,. 3 366 aluminum bond pads on the thermometer
37, 38 Aluminiumbondpads am Goldheizer37, 38 aluminum bond pads on gold heater
40 Ausleseelektronik40 readout electronics
42 SQUID, SQUID-System42 SQUID, SQUID system
43 Regelglied, Wurzelzieher 4 444 Auslesekreis43 control element, root extractor 4 444 readout circuit
45, 46 supraleitende Auslesedrähte am Thermometer45, 46 superconducting read-out wires on the thermometer
47, 48 supraleitende Drähte an dem Goldheizer47, 48 superconducting wires on the gold heater
100 Erfassungseinrichtung für Teilchen/ Strahlung 1 10022 Vakuum100 Detection device for particles / radiation 1 10022 vacuum
110 Entmagnetisierungsstufe, 2. Kühleinrichtung110 degaussing stage, 2nd cooling device
112 Behältnis mit flüssigem Helium112 container with liquid helium
114 heliumgekühltes Schild 1 11166 Behältnis mit flüssigem Stickstoff114 helium-cooled shield 1 11166 container with liquid nitrogen
118 Eintrittstenster118 entry window
120 äußerer Mantel120 outer coat
ΔE deponierte EnergieΔE deposited energy
Io Strom durch Ausleseelktronik I Iττ Strom durch Widerstand Rτ Io electricity through readout electronics II ττ current through resistor R τ
Auslesespule 23Readout coil 23
∑ Pouie Heizleistung∑ P ou i e heating power
R elektrischer WiderstandR electrical resistance
ΔR Änderung des elektrischen WiderstandsΔR change in electrical resistance
Rτ elektrischer Widerstand des Thermometers T TemperaturR τ electrical resistance of the thermometer T temperature
Tc Sprungtemperatur eines SupraleitersT c transition temperature of a superconductor
Ts Temperatur der Wärmesenke bzw. des KältebadsT s temperature of the heat sink or cold bath
ΔT Änderung der Temperatur ΔT+ TemperaturerhöhungΔT change in temperature ΔT + temperature increase
ΔT_ TemperaturerniedrigungΔT_ temperature decrease
ΔTübergang Übergangsbereich, Übergangsbreite ΔT transition transition area, transition width

Claims

24Ansprüche 24 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 (ΔTübergang) von der normal- leitenden in die supraleitende Phase aufweist, wobei die Sprungtemperatur (Tc) in der Mitte des Übergangstemperaturbereichs (ΔTübergang) liegt und der elektrische Widerstand (R) des supraleitenden Materials innerhalb des Übergangstemperaturbereichs (ΔTübergang) 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 Betriebstem- peratur (Ts) unterhalb der Sprungtemperatur (Tc) aufweist; einer bezüglich des Thermometers (1) getrennten Heizeinrichtung (20,22,23), durch die der Temperaturarbeitspunkt des Thermometers (1) innerhalb des Übergangs- temperaturbereichs (ΔTübergang) 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. 251. Microcalorimeter for measuring an energy pulse, with: a sensor component (1, 2) consisting of a thermometer (1), which has a superconducting material with a finite width transition temperature range (ΔT transition ) from the normal conducting to the superconducting phase , where the transition temperature (T c ) lies in the middle of the transition temperature range (ΔT transition ) and the electrical resistance (R) of the superconducting material within the transition temperature range (ΔT transition ) increases with increasing temperature, and from an absorber (2) which increases the thermometer (1) is thermally coupled and in which incident particles (9) or radiation (9) interact; a cooling device (10) which has an operating temperature (T s ) below the step temperature (T c ); a heating device (20, 22, 23) separate from the thermometer (1), by means of which the temperature operating point of the thermometer (1) can be set within the transition temperature range (ΔT transition ); a readout electronics (40) which is electrically connected to the thermometer (1) and detects the current flowing through the thermometer (1), characterized in that the cooling device (10) and the heating device (20) are connected to the sensor component (1, 2 ) are thermally coupled separately and that at least the cooling device (10) is thermally coupled to the sensor component (1, 2). 25th
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.2. Microcalorimeter according to claim 1, characterized in that the heating device (20,22,23) has one or more heating elements (20,22,23) which are coupled to the sensor component (1,2).
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.3. Microcalorimeter according to claim 1, characterized in that the heat capacity of a heating element (20,22,23) is less than or equal to the heat capacity of the sensor component (1,2).
4. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizelement (20,22,23) von einem mit einer Heizstromquelle verbundenen Heizfilm4. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 3, characterized in that a heating element (20,22,23) of a heating film connected to a heating current source
(20,22,23) gebildet wird, der flächig auf dem Sen- sorbauteil (1,2) aufgebracht ist.(20,22,23) is formed, which is applied to the surface of the sensor component (1,2).
5. Mikrokalorimeter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizfilm (20,22,23) mäanderför ig ausgebildet ist.5. Microcalorimeter according to claim 4, characterized in that the heating film (20,22,23) is formed meandering.
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.6. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 3, characterized in that a heating element (20,22,23) is formed by a resistance element connected to a heating current source, which is glued to the sensor component (1,2).
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.7. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the heating device (20,22,23) has a heating element (20,22,23) which is coupled to the thermometer (1).
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. 268. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the heating device (20,22,23) has a heating element (20,22,23) which is coupled to the absorber (2). 26
9. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung9. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the heating device
(20,22,23) zwei Heizelemente (20,22,23) aufweist, die jeweils an das Thermometer (1) und an den Absorber (2) ge- koppelt sind.(20, 22, 23) has two heating elements (20, 22, 23), each of which is coupled to the thermometer (1) and to the absorber (2).
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.10. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 9, characterized in that the cooling device (10) has a substrate connected to a heat sink (30) on which the sensor component (1, 2) is applied.
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.11. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 9, characterized in that the cooling device (10) has a membrane connected to a heat sink (32) on which the sensor component (1, 2) is applied.
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.12. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 9, characterized in that the cooling device (10) has an electrically insulating layer connected to a heat sink, on which the sensor component (1, 2) is applied.
13. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (2) direkt auf dem Thermometer (1) aufgebracht ist.13. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 12, characterized in that the absorber (2) is applied directly to the thermometer (1).
14. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (2) über eine Verbindungseinrichtung (5) an das Thermometer (1) gekop- pelt ist.14. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 12, characterized in that the absorber (2) is coupled to the thermometer (1) via a connecting device (5).
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. 15. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 12, characterized in that the thermometer (1) consists of a plurality of thermometer elements, each of which is coupled to the absorber (2) at different points.
16. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseelektronik (40) ein SQUID-System (42) aufweist.16. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 15, characterized in that the readout electronics (40) has a SQUID system (42).
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.17. Microcalorimeter according to one of claims 1 to 16, characterized in that the thermometer (1) an element superconductor or a high-temperature superconductor or an alloy or a two-layer structure of two superconductors or a two-layer structure of a superconductor and a normal conductor or a three-layer structure of normal conductors and superconductors having.
18. Mikrokalorimeter nach Anspruch 17, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Elementsupraleiter aus Wolfram oder18. Microcalorimeter according to claim 17, characterized in that the element superconductor made of tungsten or
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.Iridium or aluminum or tantalum, and the two-layer structures consist of a combination of iridium / gold or iridium / silver or aluminum / silver or tantalum / silver or tantalum / gold or titanium / aluminum or titanium / gold.
19. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (2) aus einem Dielektrikum wie Saphir, oder einem Halbleiter wie Silizium oder Ger- manium 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.19. Microcalorimeter according to claim 1 to 18, characterized in that the absorber (2) made of a dielectric such as sapphire, or a semiconductor such as silicon or germanium or gallium arsenide, or of a metal such as gold or silver, or a semimetal such as bismuth , or a semi-metal alloy such as mercury-telluride or cadmium-telluride or mercury-cadmium-plate uride, or a superconductor such as tantalum or aluminum or lead or a combination of the individual materials.
20. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizfilm (20,22,23) aus Gold oder Silber oder Platin besteht. 2820. Microcalorimeter according to claim 1 to 19, characterized in that the heating film (20,22,23) consists of gold or silver or platinum. 28
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.21. Microcalorimeter according to claim 1 to 20, characterized in that the substrate (30) made of a dielectric such as sapphire, or a semiconductor such as silicon or germanium or gallium arsenide, or of a metal such as gold or silver, or a semimetal such as bismuth, or a semi-metal alloy such as mercury telluride or cadmium telluride or mercury-cadmium plate uride, or a superconductor such as tantalum or aluminum or lead or a combination of the individual materials.
22. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (32) aus Silizium-Nitrid oder Silizium-Oxid oder Aluminium-Oxid besteht.22. Microcalorimeter according to claim 1 to 21, characterized in that the membrane (32) consists of silicon nitride or silicon oxide or aluminum oxide.
23. Gruppe von Mikrokalorimetern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Mikrokalorimetern nach einem der Ansprüche 1 bis 22 nebeneinander angeordnet sind.23. Group of microcalorimeters, characterized in that a plurality of microcalorimeters according to one of claims 1 to 22 are arranged side by side.
24. Gruppe von Mikrokalorimetern nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokalorimetern in einer Ebene angeordnet ist.24. Group of microcalorimeters according to claim 23, characterized in that the plurality of microcalorimeters is arranged in one plane.
25. Gruppe von Mikrokalorimetern nach Anspruch 23, da- durch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokalorimetern in Form einer dreidimensionalen Struktur angeordnet ist.25. Group of microcalorimeters according to claim 23, characterized in that the plurality of microcalorimeters is arranged in the form of a three-dimensional structure.
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 (Ts) bereitstellt; einer Eintrittsöffnung (118) zum Durchlassen von Teilchen und Strahlung; 2926. A device for measuring particles and radiation, comprising: a first cooling device (112, 114, 116); a second cooling device (110) which is precooled by the first cooling device (112, 114, 116) and which itself provides an operating temperature (T s ); an entrance opening (118) for the passage of particles and radiation; 29
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.a detection device (100) for detecting particles and radiation, characterized in that the detection device (100) is a microcalorimeter according to one of claims 1 to 22 or a group of microcalorimeters according to one of claims 23 to 25, the one or the second Cooling device (110) are thermally coupled.
27. Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die erste27. A device for measuring particles and radiation according to claim 26, characterized in that the first
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.Cooling device (112, 114, 116) has a coupled nitrogen / helium cooler or a pulse tube cooler or a mechanical cooling device such as a helium compression cooler or an electrical cooling device such as a Peltier element.
28. Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühleinrichtung (110) eine Ent- magnetisierungsstufe oder einen 3He/He-Entmischungs- kühler 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 auf- weist.28. Device for measuring particles and radiation according to one of claims 26 or 27, characterized in that the second cooling device (110) has a demagnetization stage or a 3 He / He separation cooler or a 3 He cooler or a mechanical one Has cooling device such as a helium compressor cooler or an electrical cooling device such as a Peltier element or a superconducting tunnel diode such as an NIS diode.
29. Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung nach einem der Ansprüche 26 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Fokussierungsein- richtung 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. 29. Device for measuring particles and radiation according to one of claims 26 or 28, characterized in that the device has a focusing device such as an X-ray lens or a Wolter arrangement or a Fresnel lens or focusing tube bundle or electrical focusing devices or magnetic focusing devices viewed from the detection device in the direction of the inlet opening, is arranged in front of or behind the inlet opening.
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