Kalorimetrische Tieftemperatur-Detektoren

V. Andrianov1,2, A. Bleile1,2, A. Echler1,2, P. Egelhof 1,2, P. Grabitz1,2 O. Kisselev1, J. P. Meier1

1GSI Darmstadt, 2Institut für Physik, Universität Mainz



Kalorimetrische Detektoren


Die Arbeitsgruppe „Kalorimetrische Tieftemperatur-Detektoren“ entwickelt in Zusammenarbeit mit der Gesellschaft für Schwerionenforschung GSI einen neuartigen Detektortyp: Kalorimetrische Detektoren weisen Energie nicht über Ladungstrennung, sondern über Temperaturänderung nach. Aufgrund der um Faktor 1000 geringeren Anregungsenergie von Phononen im Vergleich mit Elektronen übertrifft dieser Detektor konventionelle Detektoren in der Energieauflösung um mehr als eine Größenordnung. Da außerdem das Absorbermaterial relativ frei gewählt werden kann, bieten sich für diesen Detektortyp eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. In Zusammenarbeit mit GSI werden im Moment mehrere potentielle Anwendungen untersucht:



Schwerionen-Detektion


Die zur Schwerionendetektion üblicherweise verwendeten Oberflächen-Sperrschicht-Zähler sind in ihrer Energieauflösung begrenzt durch unvollständigen Energienachweis aufgrund von Rekombination der Ladungsträger, da die eindringenden Schwerionen insbesondere bei hohem Z eine zu große Ladungsträgerkonzentration erzeugen. Außerdem ist die Lebensdauer dieser Detektoren unter Beschuß durch schwerste Ionen (z.B. Pb, U) sehr begrenzt. Zur Schwerionendetektion werden im Moment Detektoren auf Basis supraleitender Al-Thermistoren mit Saphirabsorbern verwendet. Die Arbeitstemperatur liegt bei ca. 1.5 K. Ge-Thermistoren werden z. Zt. entwickelt. Mit diesen Detektoren wurde eine relative Energieauflösung von 1 – 5 x 10-3 in einem weiten Energie-Bereich von 0.1 – 300 MeV/u für Ionen von C bis zu U erreicht.

  
 Al-Thermistor mit Saphirabsorber

Für diese Detektoren gibt es eine Reihe von potentiellen Anwendungen, für die bereits erste Tests durchgeführt wurden:

  • Direkte Massenidentifikation der am Experiment SHIP erzeugten superschweren Elemente mit Z > 110 und simultane zeitaufgelöste Detektion der Alpha Zerfälle.
  • Beschleunigermassenspektrometrie:

    Durch genaue Energiemessung, Auflösung von Ladungsvieldeutigkeiten und Trennung nahe beieinander liegender schwerer Isotope. Dieses Projekt wird durchgeführt in Zusammenarbeit mit dem Institut für Isotopenforschung und Kernphysik der Universität Wien.
  • Kernspektroskopie: Multi-Phonon-Riesenresonanzen

    Die Riesenresonanzen werden durch inelastischen Stoß mit mittelschweren Ionen angeregt und danach die Energie des stoßenden Ions gemessen. Mit der hohen Energie-Auflösung ist die Trennung des Anregungsenergie-Peaks vom elastischen Peak möglich. Die Anregungsenergie der Riesenresonanz kann bestimmt werden.
  
 Schwerionen-Kryostat


Röntgen-Detektion


Am Experimentierspeicherring ESR können hoch geladene schwere Ionen (z.B. U91+) erzeugt werden. Die präzise Bestimmung der Lambshift an solchen wasserstoffähnlichen Ionen ist sehr interessant, weil für diese Terme der höheren Ordnung in (Za) zum Tragen kommen und diese Experimente daher einen experimentellen Test der Dirac-Theorie erlauben. Für dieses Experiment werden Detektoren für Röntgenstrahlung im Energiebereich von 50 – 100 keV entwickelt. Sie bestehen aus einem 36 Si-Pixel-Array, auf dessen Pixel Sn- und Pb-Absorber verschiedener Geometrie geklebt werden. Mittels Photoeffekt werden die eintretenden Röntgenstrahlen in Elektronen konvertiert, die wiederum im Si ein Temperatursignal induzieren.



Aufgrund der geringen Masse der Elektronen ist der Temperatureintrag sehr klein. Diese Detektoren werden daher bei Temperaturen um ca. 50 mK betrieben. Dafür wurde ein spezieller 3He/4He-Mischkryostat konstruiert, der den Einsatz der Detektoren am ESR erlaubt. In Tests mit einer 60 keV – Röntgenquelle wurde für Sn eine Auflösung von DEFWHM = 75 eV, für Pb von DEFWHM = 65 eV erreicht (zum Vergleich: die theoretische Auflösung eines Si-Halbleiter-Detektors für 60 keV liegt bei DEFWHM = 380 eV).



Auf beiden Gebieten werden Diplom- und Doktorarbeiten angeboten.

Für ausführliche Informationen wenden Sie sich bitte an uns.