Heiße Quanten kalt erwischt

Eine Kühlanlage wird mit flüssigem Helium befüllt.

Wie der Name nahe legt, wird diese Sorte von Teilchendetektoren bei tiefen Temperaturen betrieben. Aber was versteht man in diesem Zusammenhang unter ,,tiefen Temperaturen"? In der Physik wird die Kelvin-Skala benutzt, bei der die absolut tiefste Temperatur, der so genannte absolute Nullpunkt, bei dem klassisch keine atomare Bewegung mehr auftritt, mit T = 0 K festgelegt ist. Auf der im Alltag verwendeten Celsius-Skala entspricht dies einer Temperatur von -273,15 °C. Da derart niedrige Temperaturen in der Natur nicht vorkommen, müssen sie mit Hilfe von speziellen Kühltechniken künstlich hergestellt werden. Tieftemperaturdetektoren werden bei Temperaturen betrieben, die nur einem Bruchteil von einem Kelvin entsprechen, also unter -273°C. Um den Vorteil dieser extrem tiefen Betriebstemperaturen zu verstehen, ist es dienlich, zunächst die Arbeitsweise eines magnetischen Kalorimeters zu betrachten.

Die Grafik zeigt den Aufbau eines Kalorimeters

Das Funktionsprinzip eines Kalorimeters basiert auf der fundamentalen Erkenntnis, dass Wärme eine Form von Energie ist. Wird nun ein Teilchen, das die Energie E besitzt, in einem Kalorimeter absorbiert, so nimmt dessen Wärmeinhalt um den Energiebeitrag E zu, und daher erhöht sich seine Temperatur um d T = E/C, wobei C für die Wärmekapazität des Kalorimeters steht. Den Begriff der Wärmekapazität kann man umschreiben mit dem Vermögen eines Körpers, Wärme aufzunehmen. Die Energie des Teilchens kann also mit Hilfe der Temperaturerhöhung im Kalorimeter bestimmt werden. Ein Kalorimeter kann daher als Teilchendetektor benutzt werden. Über eine schwache thermische Kopplung an ein stabiles Wärmebad wird anschließend die Ausgangstemperatur im Kalorimeter wieder hergestellt, um den Nachweis weiterer Teilchen zu ermöglichen.

Die visuelle Prüfung des fertigen Detektors.

Die Nutzung von Kalorimetern zur Teilchendetektion hat eine lange Tradition in der Physik. Bereits im Jahr 1903 wurde radioaktive Strahlung über ihren Wärmeeintrag nachgewiesen. Die Idee, kalorimetrische Detektoren abzukühlen, um ihre Empfindlichkeit zu steigern, findet sich erstmals in einer Publikation aus dem Jahr 1935. Der Vorteil des Abkühlens liegt einerseits in einer Erhöhung der Signalamplitude, die aus der stark verringerten Wärmekapazität C der Absorbermaterialien bei tiefen Temperaturen resultiert und andererseits in der gleichzeitigen Reduktion des thermischen Rauschens, das heißt, von Signalfluktuationen, die von der atomaren Bewegung verursacht werden.

Neben ihrem hohen spektralen Auflösungsvermögen, ist es eine besondere Stärke von gekühlten Kalorimetern, dass damit unterschiedlichste Arten von Teilchen – unabhängig von der speziellen Natur ihrer Wechselwirkung mit Materie – nachgewiesen werden können. Es ist sogar möglich, gezielt nach heute noch unbekannten Elementarteilchen zu suchen, zum Beispiel nach den hypothetischen WIMPs, aus denen möglicherweise ein Großteil der dunklen Materie besteht. Der Sammelbegriff "dunkle Materie" bezeichnet unbekannte, nichtleuchtende Materie im Universum, die uns ihre Anwesenheit nur durch die Bewegung von Sternen und Galaxien verrät. Astronomische Beobachtungen lassen vermuten, dass circa 90 Prozent aller Materie im Universum aus uns bislang unbekanntem Material besteht. Eine wahrlich atemberaubende Vorstellung.

Eine SQUID-Platine mit supraleitender Abschirmung.

Am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg werden seit einigen Jahren magnetische Kalorimeter entwickelt, die bei extrem tiefen Temperaturen betrieben werden und die für viele der genannten Anwendungen geeignet sind. Das Besondere dieses Kalorimetertyps liegt in der Tatsache, dass zur Messung der Temperaturänderung d T die Magnetisierungsänderung d M von bestimmten paramagnetischen Substanzen in einem äußeren Magnetfeld herangezogen wird. Mit anderen Worten: Die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung dieser Materialien wird als Thermometer ausgenutzt. Mit Hilfe einer Leiterschleife, die um die paramagnetische Probe gelegt wird, kann die Messung sogar kontaktfrei geschehen, denn die Magnetisierungsänderung der Probe bewirkt eine Änderung des magnetischen Flusses durch die Leiterschleife, was wiederum zur Induktion eines Stroms führt. Besonders genau kann man magnetische Flüsse mit speziellen "Leiterschleifen", so genannten SQUIDs, messen, die daher ein zentraler Bestandteil jedes magnetischen Kalorimeters sind.

Skizze eines Oberflächenanalysesystems; die Detektion der Röntgenquanten geschieht mit Hilfe eines Kalorimeters.

SQUID ist das Akronym für "Superconducting Quantum Interference Device". Die Arbeitsweise dieser sehr empfindlichen Mess-Sonden lässt sich auf folgende Weise veranschaulichen: Ausgehend vom etablierten Konzept des Teilchen-Wellen-Dualismus stellen wir uns vor, dass die Elektronen in einem Metall nicht nur als Teilchen, sondern auch als Wellen beschrieben werden können. Bei sehr tiefen Temperaturen kommt es in manchen Metallen, so genannten Supraleitern, zu einem sehr erstaunlichen Phänomen: Die Elektronen spüren in diesen Substanzen eine schwache Anziehung und bilden Paare. Diese Elektronenpaare wiederum kondensieren in einen gemeinsamen Zustand. Von zentraler Bedeutung für die Funktionsweise eines SQUIDs ist, dass alle Elektronenpaare in diesem Zustand mit einer einzigen gemeinsamen Wellenfunktion beschrieben werden.

Der Temperaturverlauf im Absorber eines magnetischen Kalorimeters nach der Absorption eines Röntgenquants.

Das hat drastische Konsequenzen für viele Eigenschaften solcher Supraleiter. Sie sind beispielsweise ideale Leiter für Gleichstrom, eine Tatsache, die ihnen ihren Namen "Supraleiter" eingetragen hat. In einem SQUID werden nun zwei solche Supraleiter – genauer gesagt deren Wellenfunktionen – überlagert. Dabei entstehen Interferenzen, ähnlich wie bei optischen Experimenten mit einer Doppelspaltanordnung. Da diese Interferenzmuster sehr empfindlich vom magnetischen Fluss durch die SQUID-Schleife abhängen, lässt sich ein SQUID heranziehen, um Magnetfelder genau zu messen.

Eine interessante Anwendung von SQUIDs besteht zum Beispiel in der Messung von Gehirnströmen. Hierbei wird außerhalb des Kopfes das sehr kleine Magnetfeld beobachtet, das durch die Gehirnströme hervorgerufen wird. Auch andere Messgrößen lassen sich mit einem SQUID untersuchen, sofern man diese auf eine Magnetfeldmessung zurückführen kann. Als wichtiges Beispiel sei die genaue Messung eines Abstands angeführt, bei der beispielsweise die Abstandsabhängigkeit des Magnetfelds eines magnetischen Dipols ausgenutzt werden kann. Um die enorme Empfindlichkeit dieser Methode zu verdeutlichen, sei erwähnt, dass man auf diese Weise leicht Abstände kleiner als ein Millionstel eines Atomdurchmessers messen kann.

Der Kühlkopf eines Kryostaten. Mit seiner Hilfe werden magnetische Kalorimeter abgekühlt. Dazu werden Detektoren auf dem zylinderförmigen Stab in der Mitte des Kryostaten angebracht.

Zurück zu den magnetischen Kalorimetern. Bei diesen Detektoren wird also der Energieeintrag E über die resultierende Änderung der Magnetisierung durch ein SQUID bestimmt. Ein Vorteil der magnetischen Kalorimeter ist unter anderem, dass sie mit Hilfe von Standardtechniken der Mikrostrukturierung hergestellt werden können und daher die Möglichkeit gegeben ist, ausgedehnte Detektorarrays zu realisieren.

Wozu eignen sich magnetische Kalorimeter? Von den zahlreichen möglichen Anwendungen sei ein Beispiel herausgegriffen, an dem derzeit in Heidelberg gearbeitet wird. Wie in der Einleitung angesprochen, ist die Röntgenfluoreszenzanalyse eine wichtige Technik, um Oberflächen zu untersuchen. Ein typischer Messaufbau für derartige Analysen zeigt die Grafik auf Seite 23 oben. Ein feiner Elektronenstrahl wird über die Oberfläche einer Probe geführt, wobei Atome aus oberflächennahen Schichten zur Emission von charakteristischer Röntgenstrahlung angeregt werden. Die emittierte Strahlung wird mit Hilfe einer Röntgenlinse auf ein magnetisches Kalorimeter fokussiert, das auf dem Kühlkopf eines Kryostaten montiert ist. Die zu untersuchende Oberfläche selbst wird übrigens bei diesem Verfahren nicht beschädigt. Der Kryostat sorgt für die notwendige Betriebstemperatur von unter 0,1 K.

Derartige Kühlsysteme können heute bereits vollautomatisch betrieben werden; auf den Einsatz von flüssigen Kühlmitteln wie Stickstoff und Helium kann vollständig verzichtet werden. Dies ist sicherlich eine wesentliche Voraussetzung für den industriellen Einsatz solcher Systeme. Die Abbildung auf Seite 23 zeigt den Kühlkopf eines Kryostaten, der am Kirchhoff-Institut für Physik für unsere Experimente eingesetzt wird.

Charakteristisches Röntgenspektrum von Mangan, aufgenommen mit einem magnetischen Kalorimeter.

Die Absorberfläche des Detektors liegt typischerweise im Bereich eines Quadratmillimeters. Dort werden die Röntgenquanten absorbiert, die durch die sehr dünnen Röntgenfenster in das Innere des Kryostaten gelangt sind. Durch die Absorption eines Röntgenquants erwärmt sich der Detektor und die resultierende Magnetisierungsänderung wird mit einem SQUID aufgezeichnet. Ein solches Ereignis ist auf der Abbildung auf Seite 23 rechts gezeigt. Auf der benutzten Zeitskala erfolgt der Temperaturanstieg quasi instantan. Der Signalabfall, das heißt der Temperaturausgleich, wird durch die Kopplung des Absorbers an ein Wärmebad bestimmt. Diese Zeit kann in weiten Grenzen vom Experimentator gewählt werden. Im vorliegenden Beispiel ist die Thermalisierungszeitkonstante, bedingt durch die hier gewählte schwache thermische Ankopplung, etwa 15 Millisekunden. Die kürzesten Zeiten, die wir bislang realisiert haben, lagen im Bereich von einigen Hundert Mikrosekunden. Damit ist die Zählrate solcher Detektoren auf etwa zehn bis 100 Röntgenquanten pro Sekunde begrenzt, was deutlich unter den erreichbaren Zählraten für konventionelle Halbleiterdetektoren liegt. Dieser Nachteil der Kalorimeter wird durch ihre außergewöhnlich hohe Energieauflösung kompensiert.

In einem typischen Experiment werden einige Tausend solcher Pulse aufgezeichnet und die Pulshöhe, die ein Maß für den Energieeintrag ist, ausgewertet. Mit Hilfe dieser Auswertung lässt sich ein Spektrum der Röntgenstrahlung erstellen, das wiederum als Fingerabdruck herangezogen wird, um die Atomsorten auf der Oberfläche zu bestimmen. Die Abbildung auf Seite 24 zeigt als Beispiel das charakteristische Röntgenspektrum von Mangan. Zwei Linien (K a und K b) sind zu erkennen, die auf Grund ihrer relativen Intensität und ihrer Energie eindeutig auf Mangan schließen lassen. Im praxisnahen Einsatz kommt es nun darauf an, Linien mit sehr geringer Intensität von anderen, möglicherweise starken Linien zu diskriminieren, um Verunreinigungen auf Oberflächen feststellen zu können und diese bestimmten Stoffen zuzuordnen. Hierbei ist die hohe spektrale Auflösung von magnetischen Kalorimetern von entscheidender Bedeutung. Zum Vergleich: Die Auflösung der besten konventionellen Halbleiterdetektoren ist um mehr als einen Faktor zehn geringer. Mit magnetischen Kalorimetern ist es möglich, Details wie die Feinstruktur der gezeigten Linien aufzulösen. Die mit magnetischen Kalorimetern beste bislang erreichte Auflösung der K a-Linie liegt bei 9 eV.

Die historische Entwicklung des spektralen Auflösungsvermögens verschiedener Tieftemperatursensoren.

Wie schneiden die magnetischen Kalorimeter im Vergleich zu anderen Tieftemperaturdetektoren ab? Das Auflösungsvermögen ist nur ein Aspekt, der die Qualität eines Detektors bestimmt. Linearität, Quantenausbeute und Zählrate sind weitere wichtige Kriterien, die bei einem kritischen Vergleich herangezogen werden müssen. Für die vier führenden Detektorkonzepte ist das Auflösungsvermögen E/d E, bei einer Energie von E = 6 eV (siehe Abbildung rechts). Die Größe d E spiegelt die Linienbreite wider. Grau getönt ist der Bereich hervorgehoben, der mit konventionellen Ionisationsdetektoren abgedeckt werden kann. Alle vier Tieftemperaturdetektortypen besitzen im Vergleich dazu eine wesentlich höhere Auflösung. Vom besten bislang erzielten Ergebnis, das mit so genannten Phasenübergangs-Kalorimetern erzielt wurde, ist die beste Auflösung unserer Detektoren nur noch geringfügig entfernt.

Die offensichtlich stagnierende Entwicklung bei einigen Detektortypen wirft die Frage auf, ob es eine prinzipielle oder technische Grenze für das spektrale Auflösungsvermögen solcher Detektoren gibt und wenn ja, wo diese liegt. Aus verständlichen Gründen muss eine solche Diskussion für jeden Detektortyp separat geführt werden, da hier die technischen Einzelheiten wichtig sind. In Bezug auf magnetische Kalorimeter können wir auf diese Frage noch keine endgültige Antwort geben, da zur Beantwortung noch wichtige experimentelle Daten notwendig sind. Unsere Erkenntnisse sprechen dafür, dass eine weitere Steigerung des spektralen Auflösungsvermögens um mindestens einen Faktor zehn möglich ist, ohne dass technische oder prinzipielle Grenzen erreicht werden.

Eine derartige Steigerung führt in Bereiche, bei der die chemische Verschiebung, das heißt die Verschiebung der Spektrallinien auf Grund unterschiedlicher Bindungszustände, beobachtet werden kann. Übertragen auf den oben besprochenen Anwendungszweck bedeutet dies, dass nicht nur das Vorhandensein bestimmter Fremdatome auf einer Oberfläche nachgewiesen werden kann, sondern auch, in welcher Verbindung sie vorkommen. Diese zusätzliche Information ist von großer Bedeutung, will man Prozess-Schritte identifizieren, bei denen ungewollt Fremdatome angelagert werden. Derzeit bemühen wir uns gemeinsam mit dem Institut für Physikalische Hochtechnologie in Jena und der Firma "VeriCold Technologies" aus Ismaning um die Realisierung solcher Analysegeräte, die auf magnetischen Kalorimetern basieren.

Die weitere Verbesserung unserer Detektoren involviert natürlich auch die detaillierte Untersuchung ihrer physikalischen Grundlagen. Hierzu sind insbesondere Experimente bei ultratiefen Temperaturen notwendig, das heißt Temperaturen die unter einem tausendstel Kelvin liegen. Derartige Temperaturen werden mit aufwändigen Anlagen erzielt, die nur an wenigen Universitäten weltweit zur Verfügung stehen. In Heidelberg wird in Kürze ein entsprechender Kryostat am Kirchhoff-Institut für Physik zur Verfügung stehen. Der weiteren Entwicklung von magnetischen Kalorimeter sehen wir deshalb optimistisch entgegen.

Autor:
Priv.-Doz. Dr. Christian Enss,
Kirchhoff-Insitut für Physik,
69120 Heidelberg,
Telefon (0 62 21) 54 98 60, Fax: (0 62 21) 54 98 39,
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