WO1999054696A1 - Mikrokalorimeter - Google Patents

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WO1999054696A1
WO1999054696A1 PCT/EP1999/002588 EP9902588W WO9954696A1 WO 1999054696 A1 WO1999054696 A1 WO 1999054696A1 EP 9902588 W EP9902588 W EP 9902588W WO 9954696 A1 WO9954696 A1 WO 9954696A1
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absorber
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Franz Von Feilitzsch
Jens HÖHNE
Josef Jochum
Johann Schnagl
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Csp Cryogenic Spectrometers Gmbh
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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

Offenbart ist ein Mikrokalorimeter bzw. eine Gruppe von Mikrokalorimetern, die ein Sensorbauteil (1, 2) bestehend aus einem Thermometer (1) mit einem supraleitenden Material und aus einem an das Thermometer thermisch gekoppelten Absorber (2), eine Kühleinrichtung (30), eine Heizeinrichtung (20) und eine Ausleseeinrichtung aufweisen, wobei die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung getrennt voneinander an das Sensorbauteil thermisch gekoppelt sind und zumindest die Kühleinrichtung flächig mit dem Sensorbauteil thermisch gekoppelt ist. Durch diese Anordnung läßt sich ein großer dynamischer Bereich bei minimaler Heizleistung einstellen, es kann aber außerdem eine getrennte Optimierung der Kühleinrichtung und der Heizeinrichtung bewirkt werden, wodurch eine verbesserte Energieauflösung bzw. eine Signalbeschleunigung erreicht wird. Derartige Mikrokalorimeter werden beispielsweise bei der Materialanalyse bzw. Qualitätssicherung mittels Röntgenfluoreszenz-Analyse vorzugsweise in der Halbleiterindustrie eingesetzt, sie eignen sich aber auch zur Bestimmung von Molekülen in der Biotechnologie.

Description

Beschreibung
Mikrokalorimeter
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Mikrokalorimeter gemäß An- spruch 1, eine Gruppe von Mikrokalorimeter gemäß Anspruch 23 und eine Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung gemäß Anspruch 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.
Stand der Technik
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.
Mikrokalorimeter: Aufbau, Prinzip
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.
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.
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.
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 .
US-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:
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.
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.
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.
Veröffentlichung von 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.
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.
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.
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 Erfindung
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 .
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.
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.
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.
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.
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.
Um eine große Signalamplitude und somit auch eine gute Energieauflösung von im Absorber auftretenden Er- 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.
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.
Vorteilhafterweise weist die Ausleseelektronik ein SQUID-System mit einem einzelnen SQUID oder einer Gruppe aus SQUIDs auf.
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- 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.
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.
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. 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.
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.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Mi- krokalorimeters mit seinen wesentlichen Komponenten,
Figur 2 einen Diagramm, das einen typischen Ver- lauf eines Phasenübergangs eines Thermometers in einem Mikrokalorimeter darstellt, 13
Figur 3 eine stark vereinfachte schematische Darstellung der Ausleseelektronik eines Mikrokalorimeters,
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,
Figur 5 ein schematische Darstellung der elektrischen Beschaltung eines Tieftemperaturkalorimeters im Stand der Technik nach 0. Meier und anderen,
Figur 6 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,
Figur 7 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,
Figur 8 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,
Figuren 9 eine schematische Darstellung einer realen Geometrie der dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,
Figuren 10 eine schematische Darstellung einer realen Geometrie einer vierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,
Figur 11 eine schematische Darstellung einer fünften beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,
Figur 12 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Gruppe von Mikrokalo- 14
rimetern in einer ebenen Anordnung gemäß der Erfindung, und
Figur 13 eine schematische Darstellung einer bei- spielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen von Strahlung gemäß der Erfindung.
Mikrokalorimeter : Ausführungsformen
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 .
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.
Ein typischer Herstellungsprozeß wird bezüglich der Erläuterung der realen Geometrie der dritten vorteilhaften Ausführungsform kurz skizziert. 15
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ähnlich zu der ersten vorteilhaften Ausführungsform ist, von unten nach oben betrachtet, zunächst auf einem mit einer Wärmesenke (nicht dargestellt) verbundenen Substrat 30 ein Thermometerfilm 1 aufgebracht. Auf diesen 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.
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.
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- 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.
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.
Die Figuren 9 zeigen eine schematische Darstellung einer realen Geometrie der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
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- 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.
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.
Die Figuren 10 zeigen eine schematische Darstellung einer realen Geometrie der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters gemäß der vierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Der Aufbau des Mikrokalorimeters dieser Ausführungsform entspricht im wesentlichen dem der dritten bei- 18
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.
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.
Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung der An- Ordnung der einzelnen Komponenten eines Mikrokalorimeters gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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. 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.
Gruppe von Mikrokalorimetern
Figur 12 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Gruppe von Mikro- kalorimetern in einer ebenen Anordnung gemäß der Erfindung.
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.
Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung
Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen von Strahlung gemäß der Erfindung. 20
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.
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. 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.
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 . 22
Bezugszeichenliste
1 Thermometer
2 Absorber
5 Bonddraht zwischen Absorber und Thermometer
9 einfallendes Teilchen
10 Kühleinrichtung, Koppelung an die Wärme- senke
20 Heizeinrichtung, Heizfilm
22, 23 Goldheizer
30 Substrat
32 Membran 3 355,,3 366 Aluminiumbondpads am Thermometer
37, 38 Aluminiumbondpads am Goldheizer
40 Ausleseelektronik
42 SQUID, SQUID-System
43 Regelglied, Wurzelzieher 4 444 Auslesekreis
45, 46 supraleitende Auslesedrähte am Thermometer
47, 48 supraleitende Drähte an dem Goldheizer
100 Erfassungseinrichtung für Teilchen/ Strahlung 1 10022 Vakuum
110 Entmagnetisierungsstufe, 2. Kühleinrichtung
112 Behältnis mit flüssigem Helium
114 heliumgekühltes Schild 1 11166 Behältnis mit flüssigem Stickstoff
118 Eintrittstenster
120 äußerer Mantel
ΔE deponierte Energie
Io Strom durch Ausleseelktronik
Figure imgf000024_0001
I Iττ Strom durch Widerstand Rτ
Auslesespule 23
∑ Pouie Heizleistung
R elektrischer Widerstand
ΔR Änderung des elektrischen Widerstands
Rτ elektrischer Widerstand des Thermometers T Temperatur
Tc Sprungtemperatur eines Supraleiters
Ts Temperatur der Wärmesenke bzw. des Kältebads
ΔT Änderung der Temperatur ΔT+ Temperaturerhöhung
ΔT_ Temperaturerniedrigung
ΔTübergang Übergangsbereich, Übergangsbreite

Claims

24Ansprüche
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. 25
2. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (20,22,23) ein oder mehrere Heizelemente (20,22,23) aufweist, die an das Sensorbauteil (1,2) gekoppelt sind.
3. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekapazität eines Heizelements (20,22,23) kleiner oder gleich der Wärmekapazität des Sensorbauteils (1,2) ist.
4. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizelement (20,22,23) von einem mit einer Heizstromquelle verbundenen Heizfilm
(20,22,23) gebildet wird, der flächig auf dem Sen- sorbauteil (1,2) aufgebracht ist.
5. Mikrokalorimeter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizfilm (20,22,23) mäanderför ig ausgebildet ist.
6. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizelement (20,22,23) von einem mit einer Heizstromquelle verbundenen Widerstandselement gebildet wird, das auf das Sensorbauteil (1,2) aufgeklebt ist.
7. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (20,22,23) ein Heizelement (20,22,23) aufweist, das an das Thermometer (1) gekoppelt ist.
8. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (20,22,23) ein Heizelement (20,22,23) aufweist, das an den Absorber (2) gekoppelt ist. 26
9. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung
(20,22,23) zwei Heizelemente (20,22,23) aufweist, die jeweils an das Thermometer (1) und an den Absorber (2) ge- koppelt sind.
10. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (10) ein mit einer Wärmesenke verbundenes Substrat (30) aufweist, auf dem das Sensorbauteil (1,2) aufgebracht ist.
11. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (10) eine mit einer Wärmesenke verbundene Membran (32) aufweist, auf der das Sensorbauteil (1,2) aufgebracht ist.
12. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (10) eine mit einer Wärmesenke verbundene elektrisch isolierende Schicht aufweist, auf der das Sensorbauteil (1,2) aufgebracht ist.
13. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (2) direkt auf dem Thermometer (1) aufgebracht ist.
14. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (2) über eine Verbindungseinrichtung (5) an das Thermometer (1) gekop- pelt ist.
15. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermometer (1) aus einer Vielzahl von Thermometerelementen besteht, die jeweils an verschiedenen Stellen an den Absorber (2) gekoppelt sind.
16. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseelektronik (40) ein SQUID-System (42) aufweist.
17. Mikrokalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermometer (1) einen Elementsupraleiter oder einen Hochtemperatursupraleiter oder eine Legierung oder eine Zweischichtstruktur aus zwei Supraleitern oder eine Zweischichtstruktur aus einem Supraleiter und einem Normalleiter oder eine Dreischichtstruktur aus Normalleitern und Supraleitern aufweist.
18. Mikrokalorimeter nach Anspruch 17, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Elementsupraleiter aus Wolfram oder
Iridium oder Aluminium oder Tantal, und die Zweischichtstrukturen aus einer Kombination von Iridium/Gold oder Iridium/Silber oder Aluminium/Silber oder Tantal/Silber oder Tantal/Gold- oder Titan/Aluminium oder Titan/Gold bestehen.
19. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (2) aus einem Dielektrikum wie Saphir, oder einem Halbleiter wie Silizium oder 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.
20. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizfilm (20,22,23) aus Gold oder Silber oder Platin besteht. 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.
22. Mikrokalorimeter nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (32) aus Silizium-Nitrid oder Silizium-Oxid oder Aluminium-Oxid besteht.
23. Gruppe von Mikrokalorimetern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Mikrokalorimetern nach einem der Ansprüche 1 bis 22 nebeneinander angeordnet sind.
24. Gruppe von Mikrokalorimetern nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokalorimetern in einer Ebene angeordnet ist.
25. Gruppe von Mikrokalorimetern nach Anspruch 23, da- durch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Mikrokalorimetern in Form einer dreidimensionalen Struktur angeordnet ist.
26. Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung, mit: einer ersten Kühleinrichtung (112,114,116); einer zweiten Kühleinrichtung (110), die von der ersten Kühleinrichtung (112,114,116) vorgekühlt wird und selbst eine Betriebstemperatur (Ts) bereitstellt; einer Eintrittsöffnung (118) zum Durchlassen von Teilchen und Strahlung; 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.
27. Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Kühleinrichtung (112,114,116) einen gekoppelten Stickstoff/Helium-Kühler oder einen Pulsröhren-Kühler oder eine mechanische Kühleinrichtung wie einen Helium-Kompressionkühler oder eine elektrische Kühleinrichtung wie ein Peltierelement aufweist.
28. Vorrichtung zum Messen von Teilchen und Strahlung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühleinrichtung (110) eine 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.
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.
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