Development of a novel SQUID-based microcalorimeter and software for microwave SQUID multiplexer optimisation

Mikrokalorimeter sind energiedispersive Einzelteilchendetektoren, die eine herausragende Energieauflösung mit einer Quanteneffizienz nahe 1 verbinden. Über einen hochempfindlichen Temperatursensor messen sie den Temperaturanstieg, der auf die Absorption eines energetischen Teilchens folgt. Trotz ihrer exzellenten Leistungsmerkmale haben auch die fortschrittlichsten Detektortechnologien das Auflösungslimit bedingt durch durch thermodynamische Energiefluktutationen noch nicht erreicht. Zudem wird weiterhin aktiv an der Optimierung der Auslese großer Detektorarrays gearbeitet. ... mehrVor diesem Hintergrund präsentieren wir ein neuartiges, SQUID-basiertes Mikrokalorimeter mit in-situ regelbarer Sensitivität. Sein Temperatursensor basiert auf der starken Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eindringtiefe eines Supraleiters knapp unterhalb seiner Sprungtemperatur. Wir beschreiben detailliert seine Funktion und präsentieren Messungen an ersten Prototypen. Im Gegensatz zu anderen Mikrokalorimetern zeigen unsere Prototypen keine Hysterese, und können theoretisch eine Energieauflösung $\mathcal{O}(400\,\mathrm{meV})$ für weiche Röntgenstrahlung erreichen. Zur Optimierung der Auslese großer Detektorarrays haben wir ein Softwarepacket entwickelt, um das nicht-lineare Verhalten von Mikrowellen-SQUID-Multiplexern zu simulieren. Diese sind, aus aktueller Sicht, besonders gut zur Auslese von Detektorarrays geeignet. Mithilfe dieser Software identifizieren wir geeignete Entwurfsparameter, die das Rauschen reduzieren. Unter anderem sind ein Abschirmparameter von $\beta_\mathrm{L} = 0.4$ oder eine Amplitude von $\Phi_\mathrm{rf} = 0.3\,\Phi_0$ des hochfrequenten Flussbeitrags optimal.

Microcalorimeters are energy-dispersive single-particle detectors offering a unique combination of an outstanding energy resolution and a near-unity quantum efficiency. They measure the temperature rise caused by the absorption of energetic particles using a highly sensitive temperature sensor. Despite their excellent performance, the most mature detector technologies have yet to reach the fundamental resolution limit set by thermodynamic energy fluctuations. Moreover, the optimisation of readout techniques for large-scale arrays is still ongoing. In this context, we present a novel SQUID-based microcalorimeter with an in-situ tunable gain. ... mehrIts temperature sensor is based on the strong temperature dependence of the magnetic penetration depth of a superconducting material operated just below its critical temperature. We describe in detail the underlying physics and report on the performance of prototype devices. We found that, in contrast to other microcalorimeters, our devices show no hysteresis, and that they can potentially achieve an energy resolution of $\mathcal{O}(400\,\mathrm{meV})$ for soft X-ray photons. For optimising the readout of large-scale arrays, we have developed a software package to simulate the complex dynamics, resulting from non-linear effects, and performance of a microwave SQUID multiplexer. The latter is presently most promising for reading out cryogenic detector arrays. We apply this software to find design parameters strongly reducing the readout noise. We find that, for example, a SQUID screening parameter of $\beta_\mathrm{L} = 0.4$ or a radio frequency flux amplitude $\Phi_\mathrm{rf} = 0.3\,\Phi_0$ are optimal.