Magnetische Mikrokalorimeter für die Aktivitätsstandardisierung und die Messung fundamentaler Zerfallsdaten in der Radionuklidmetrologie

Die Kernaufgabe der Radionuklidmetrologie ist die Messung und Bereitstellung sogenannter primärer Aktivitätsstandards sowie fundamentaler Zerfallsdaten von Radionukliden, um deren Anwendung in Bereichen der Medizin, der Industrie und der Wissenschaft zu ermöglichen. Häufig sind diese Daten jedoch durch die Messunsicherheiten konventioneller Messverfahren nur unzureichend genau bekannt und erschweren daher die Anwendung. Aus diesem Grund war das Ziel des EMPIR Projekts "PrimA-LTD" die Etablierung eines neuartigen Messverfahrens für die Radionuklidmetrologie, das auf der Verwendung magnetischer Mikrokalorimeter basiert. ... mehrMagnetische Mikrokalorimeter sind energiedispersive Einzelteilchendetektoren, deren Detektionsprinzip auf der Erwärmung eines Teilchenabsorbers infolge eines Energieeintrags und der präzisen Messung dieser Temperaturänderung mit einem Temperatursensor beruht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden in diesem Kontext zwei Detektortypen entwickelt. Der erste Typ ist ein für viele Messungen wiederverwendbarer Detektor für die primäre Aktivitätsstandardisierung verschiedener Radionuklide, die in externe und thermisch über Golddrähte an den Temperatursensor angekoppelte Teilchenabsorber integriert sind. Die quantitative Untersuchung der Performanz und der Eignung dieser Detektoren erfolgte mit einer in dieser Arbeit entwickelten Simulationsmethode, die auf der Zustandsraumdarstellung basiert. Der zweite Detektortyp wurde speziell für die Messung des Elektroneneinfang-Spektrums einer in den Teilchenabsorber aus Gold integrierten $^{55}$Fe-Quelle optimiert. Die $^{55}$Fe-Quelle wurde hierbei mittels Ionen-Implantation deponiert und zwischen zwei Absorberhälften eingeschlossen, die erstmals beide mit einem eigens dafür entwickelten Mikrofabrikationsprozess vollständig durch galvanische Abscheidung hochreinen Goldes hergestellt wurden. Im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Messungen zeigen eine hervorragende intrinsische Energieauflösung dieses Detektortyps von $E_\mathrm{FWHM} = 1{,}14\,\mathrm{eV}$ bei einer Energie von $E = 0\,\mathrm{eV}$, die die Messung des Zerfallsspektrums von $^{55}$Fe mit nie dagewesener Präzision ermöglicht.

The core task of radionuclide metrology is the measurement and distribution of primary activity standards as well as fundamental decay data of radionuclides to enable their application in medicine, industry, and science. Often, these data are inadequately known due to the measurement uncertainties of conventional measurement techniques, hindering their application. For this reason, the goal of the EMPIR project "PrimA-LTD" was to establish a novel measurement technique for radionuclide metrology based on the use of magnetic microcalorimeters. Magnetic microcalorimeters are energy-dispersive single-particle detectors, whose detection principle relies on the heating of a particle absorber resulting from an energy input, and the precise measurement of this temperature change with a temperature sensor. ... mehrIn this context, two types of detectors have been developed in the scope of this work. The first type is a detector that can be reused for many primary activity standardization measurements of various radionuclides, which are incorporated into external particle absorbers that are thermally coupled to the temperature sensor via gold wires. The quantitative investigation of the performance and suitability of these detectors was carried out using a simulation method developed in this work, which is based on the state-space representation. The second detector type was specifically optimized for measuring the electron-capture spectrum of an $^{55}$Fe source integrated into the gold particle absorber. The $^{55}$Fe source was deposited using ion implantation and enclosed by two absorber halves, both of which were for the first time fully made of high-purity electroplated gold using a specially developed microfabrication process. Measurements conducted as part of this work show an outstanding intrinsic energy resolution of this detector type of $E_\mathrm{FWHM} = 1.14\,\mathrm{eV}$ at an energy of $E = 0\,\mathrm{eV}$, enabling the measurement of the decay spectrum of $^{55}$Fe with unprecedented precision.