Development of NbN based Kinetic Inductance Detectors on sapphire and diamond substrates for fusion plasma polarimetric diagnostics

Die Kernfusion stellt eine der besten Chancen für die Menschheit dar, sich von fossilen Brennstoffen zur Energieerzeugung zu lösen, um die Probleme im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung anzugehen. Das empfindliche Plasmagleichgewicht, das für einen stabilen Betrieb erforderlich ist, erfordert ein breites Spektrum verschiedener Diagnose-Methoden, die die verschiedenen Plasmaparameter laufend überwachen und dem Aufkommen von Instabilitäten entgegenwirken, die natürlich innerhalb eines Tokamaks auftreten. Polarimetrie gehört zu diesen Techniken, die sich in jahrzehntelangen Anwendungen in der Kernfusionsforschung als zuverlässiges Instrument erwiesen haben. ... mehrDurch Messung der in die Polarisationsebene induzierten Rotation einer durch das Plasma wandernden elektromagnetischen Welle können wichtige Parameter wie die Stromdichte und das poloidale Magnetfeld rekonstruiert werden. Diese Arbeit untersucht die Anwendung von Kinetischen-Konduktivität-Detektoren (KIDs) auf Basis von Saphir- und Diamantsubstraten. Diese Art von Sensoren zeichnen sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus, der aus einer einzelnen supraleitenden Dünnschicht besteht, und so einen LC-Schwingkreis bildet. Eintreffende Photonen mit ausreichender Energie brechen Cooper-paare innerhalb des Supraleiters auf und verändern dessen Oberflächenimpedanz. Dies führt zu einer Änderung der Resonanzfrequenz und Phase der Resonatoren, die mit Standard-Hochfrequenztechniken erfasst werden können. Das angenommene Design umfasst eine Multi-Pixel-Konfiguration mit Polarisationsempfindlichkeit für den Einzeldetektorbetrieb. Der Entwurfs- und Produktionsphase der Prototypen ging eine umfangreiche Simulations- und Modellierungsstudie voraus, die durchgeführt wurde, um den Bereich der Betriebsfrequenzen der Resonatoren zu bewerten, das Auftreten von Übersprechen zwischen den auf dem Detektor vorhandenen Pixeln zu untersuchen und die Kopplungsstärke zu bewerten zwischen den Resonatoren und der Zuleitung, mit dem Ziel, die Detektoren für die jeweilige Anwendung zu optimieren. Die hergestellten Prototypen wurden dann durch Messungen charakterisiert, die die kritische Temperatur und den kritische Strom der abgeschiedenen Filme, die Reaktion der Resonatoren auf einen Anregungsfrequenz und auf eintreffende THz-Strahlung einschließen. Die Verwendung von Diamant als Substrat für derartige Geräte wird hier nach bestem Wissen erstmals vorgeschlagen. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass dieses Material, das sich durch außergewöhnliche mechanische, thermische und Strahlungshärteeigenschaften auszeichnet, ein vielversprechender Kandidat für einen vollständig optimierten Detektor für den Einsatz in zukünftigen Kernfusionskraftwerken ist.

Nuclear fusion represents one of the best chances humanity has to detach itself from fossil fuels for energy production, in an effort to tackle the issues related with global warming. The delicate plasma equilibrium necessary to reach stable operation requires a wide array of different diagnostics capable of continuously monitoring the various plasma parameters and to counteract the insurgence of instabilities that naturally arise inside a tokamak. Polarimetry is among these techniques, having being proven as a reliable instrument in decades of nuclear fusion research applications. ... mehrBy measuring the rotation induced into the polarization plane of an electromagnetic wave traveling through the plasma, important parameters like the current density and the poloidal magnetic field can be reconstructed. This thesis studies the application of Kinetic Inductance Detectors (KID) based on sapphire and diamond substrates as the sensitive component of an innovative polarimetric diagnostic system. These kind of devices are characterized by a very simple construction, consisting in a single superconducting thin layer patterned to form an LC resonating circuit. Incoming photons with sufficient energy break down Cooper pairs within the superconductor, changing its surface impedance. This leads to a change of the resonance frequency and phase of the resonators that can be detected with standard radio frequency techniques. The adopted design includes a multi-pixel configuration with polarization sensitiveness for single detector operation. The design and production phase of the prototypes was preceded by an extensive simulation and modelization study performed to evaluate the range of operating frequencies of the resonators, to investigate the occurrence of cross-talk between the pixels present on the detector and to assess the coupling strength between the resonators and the feedline, with the aim of optimizing the detectors for the application at hand. The produced prototypes where then characterized with measurements that include the critical temperature and current of the deposited films, the resonators response to an excitation tone and to incoming THz radiation. The usage of diamond as a substrate for these kind of devices is proposed here for the first time to the best of our knowledge. The results obtained show how this material, characterized by exceptional mechanical, thermal and radiation hardness properties, represent a promising candidate for a fully optimized detector to be employed in future nuclear fusion power plants.