Ausleseelektronik für magnetische Mikrokalorimeter im Frequenzmultiplexverfahren

Magnetische Mikrokalorimeter (MMC) sind Tieftemperatur-Kalorimeter mit exzellenter Auflösung und hoher Linearität. Dadurch sind sie als Schlüsseltechnologie für eine Vielzahl an Experimenten und Instrumenten in der Grundlagenforschung prädestiniert. Das Sensorprinzip erfordert Betriebstemperaturen weit unter 100$\,$mK. Bei einer großen Anzahl von mehreren hundert Detektoren mit paralleler Anbindung wird die Auslese zu einer hochgradig komplexen Aufgabe. Frequenzmultiplex-Verfahren wie der Mikrowellen-SQUID-Multiplexer sind in der Lage, die Auslese all dieser Detektoren mit wenigen Leitungen zu realisieren, und sind für MMCs geeignet. ... mehrDie Auslese des Mikrowellen-SQUID-Multiplexers erfordert jedoch hohe Bandbreiten im Gigahertzbereich, leistungsfähige Hardware und mehrstufige Signalverarbeitung zur Datenreduktion. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals ein optimiertes Raumtemperatur-Auslesesystem für 400 Multiplexer-Kanäle mit 4$\,$GHz Bandbreite für MMCs vorgestellt. Ausgehend vom konzeptionierten Auslesesystem werden zwei Prototyp-Elektroniken realisiert und evaluiert. Mit dem Auslesesystem wurden in einem Testaufbau Energieauflösungen von 6,2$\,$eV mit 16 und 10,7$\,$eV mit 80 Kanälen im Bereich von 3,3$\,$keV erreicht. Mit MMCs im Kryostaten und Achtkanalauslese wurden Auflösungen von 8,8$\,$eV bei 5,9$\,$keV erreicht. Die entwickelten Methoden und Prototypen werden darüber hinaus auf eine neuartige Multiplexer-Variante mit dc-SQUIDs übertragen und ferner wird eine Vierkanal-Auslese mit Tieftemperaturaufbau demonstriert. Mit den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit steht nun ein hochoptimiertes Auslesesystem in einer ersten Version zur Verfügung.

Magnetic calorimeters (MMC) are low-temperature calorimeters with excellent resolution and high linearity. This qualifies them as a key technology for a wide range of experiments and instruments in fundamental research. The detection principle requires temperatures far below 100$\,$mK. With a large number of several hundred detectors with parallel interfacing, readout becomes a highly complex task. Frequency division multiplexing techniques such as the microwave SQUID multiplexer are able to realize the acquisition all these detectors with few readout lines and are suitable for MMCs. ... mehrHowever, the readout of the microwave SQUID multiplexer requires high bandwidths in the gigahertz range, powerful hardware, and multistage signal processing for data reduction. In this thesis, an optimized room-temperature readout system for 400 multiplexer channels with 4$\,$GHz bandwidth for MMCs is presented. Two prototype electronics are implemented and evaluated from the conceptualized readout system. The readout system shows energy resolutions of 6,2$\,$eV with 16 and 10,7$\,$eV with 80 channels in the range of 3,3$\,$keV in a test setup. With MMCs in a cryostat, resolutions of 8,8$\,$eV at 5,9$\,$keV were achieved in an eight channel readout. The developed methods and prototypes are further applied to a novel multiplexer variant with dc-SQUIDs, and furthermore, a four-channel readout with low-temperature setup is demonstrated. With the results of this thesis, a highly optimized fully functional readout system is now available in a first version.