Diese Arbeit beschreibt den Aufbau und die Charakterisierung eines supraleitenden Mikrokalorimeters zum Messen einzelner Lichtteilchen. Die Entwicklung geschah im Rahmen des 'Any Light Particle Search II' (ALPS II) Experiments bei DESY, welches die Existenz von schwach wechelwirkenden, leichten Teilchen (WISP) erforscht. ALPS II benötigt dafür ein Messgerät für Lichtteilchen der Wellenlänge 1064 nm, welche bei niedrigen Ereignisraten als Signal erwartet werden. Dieses Messgerät wird in drei Analysen beschrieben.
Zunächst wird ein adiabtischer Demagnetisierungskühler (ADR) behandelt, welcher Millikelvintemperaturen erreicht. Während der Inbetriebnahme wurde der Kryostat optimiert, um supraleitende Sensoren bei 80 mK ± 25 μK stabil zu betreiben. Dieser Betrieb kann etwa 20 Stunden durchgängig erfolgen, bevor der Kühler in weniger als 2 Stunden aufgeladen werden muss. Solche Aufladevorgänge bei 4-10 Kelvin lassen sich mit einer 80 prozentigen Erfolgsquote durchführen.
Im zweiten Teil werden supraleitende Sensoren behandelt. Als Lichtsensoren werden supraleitende Übergangs-Mikrokalorimeter (TES) aus 20 nm dicken Wolframfilmen benutzt, die vom amerikanischen Metrologieinsitut (NIST) hergestellt wurden und eine hohe Nachweiseffizienz für 1064 nm Licht erreichen sollen. Die Untersuchung an 1064 nm Signalen zeigt, dass einzelne Lichtteilchen als kalorimetrische Pulse mit einer Abfallzeit von 1.5 mus gemessen werden. Die Energieauflösung wurde zu <8 % bestimmt. Zudem wurden wichtige Kenngrößen des TES-Sensors bestimmt. Anhand dieser Parameter und der linearen TES Theorie können gemessene Pulse beschrieben werden. Der TES wird mit supraleitenden Quanteninterferenzdetektoren (SQUID) ausgelesen. Desweiteren wurde der Betrieb des TES/SQUID-Detektormoduls im ADR Kryostaten und im ALPS II Labor optimiert. Dieser Aufbau stellt den ALPS TES Detektor dar.
Zuletzt wurden Hintergrundereignisse untersucht, um eine Dunkelrate für den ALPS TES Detektor zu bestimmen. Mit einer 1064 nm Einzelphotonenquelle wurde der Detektor kalibriert und Analysemethoden wurden entwickelt. Anhand von Langzeitmessungen mit verschiedenen optischen Aufbauten wurden Hintergrundereignisse gemessen und unterschieden. Intrinsische Hintergrundereignisse wurden untersucht, indem der TES dunkel in seiner Millikelvinumgebung betrieben wurde. Bezogen auf 1064 nm Signale wurde eine intrinsische Dunkelrate von 1.0 x 10-4 s-1 bestimmt. Mit einem fasergekoppelten TES wurde herausgefunden, dass die Dunkelrate durch Vielfachereignisse einzelner nahinfraroter Lichtteilchen des Raumtemperaturspektrums dominiert ist, die durch die optische Faser zum TES gelangen. Betrachtet man eine Gesamteffizienz von etwa 18 % für 1064 nm ALPS Signale, beträgt die Dunkelrate 8.6 x 10-3 s-1.
Verglichen mit dem ALPS I Detektor verbessert der ALPS TES Detektor
damit die experimentelle Empfindlichkeit von ALPS II. Zudem stellt
diese Arbeit den Beginn der TES-Detektorentwicklung in Hamburg,
Deutschland, dar.
This thesis covers the development and the characterization of a single photon detector based on a superconducting microcalorimeter. The detector development is motivated by the Any Light Particle Search II (ALPS II) experiment at DESY in Hamburg, which searches for weakly interacting sub-eV particles (WISPs). Therefore, a detection of low-fluxes of 1064 nm light is required. The work is divided in three analyses: the characterization of a milli-kelvin (mK) cryostat, the characterization of superconducting sensors for single photon detection, and the determination of dark count rates concerning 1064 nm signals.
Firstly, an adiabatic demagnetization refrigerator (ADR) is characterized, which allows to reach mK-temperatures. During commissioning, the ADR cryostat is optimized and prepared to stably cool superconducting sensors at 80 mK ±25 μK. It is found that sensors can be continuously operated for ∼20 h before recharging the system in <2 h. Furthermore, the adiabatic system reaches a chance of success of ∼80 % for a recharge without technical problems.
Secondly, superconducting sensors are analyzed. The focus is on microcalorimetric transition-edge sensors (TESs) based on 20 nm Tungsten (W) films fabricated by the U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST). NIST TESs have a near unity detection efficiency for 1064 nm light (literature value). The energy resolution for 1064 nm signals is measured to be <8 %. The exponential falling time of a photon pulse is 1.5 mus. Furthermore, by determining TES parameters, it is found that the linear TES theory describes measured photon pulses well. The TES response is read out by a superconducting quantum interference device (SQUID) fabricated by Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). The system bandwidth is measured to be 0.9 MHz. Finally, the operation in the ADR cryostat as well as the ALPS II laboratory is optimized. This setup forms the ALPS TES detector.
Thirdly, the background is measured to obtain a dark count rate for 1064 nm signals. The ALPS TES detector is calibrated by a 1064 nm single photon source and methods are developed to analyze signals. In long-term measurements, background events are measured by using different optical setups. By operating the TES without an optical link outside mK-environment, intrinsic background components are observed and classified. This results in an intrinsic dark count rate for 1064 nm signals of 1.0 x 10-4 s-1. By operating a fiber-coupled TES, it is found that the dark count rate for 1064 nm signals is dominated by pile-up events of near-infrared thermal photons coming through the fiber from the warm environment. Considering a detection efficiency of ∼18 %, a dark count rate of 8.6 x 10-3 s-1 is determined for 1064 nm ALPS photons.
Concerning ALPS II, this results in a sensitivity gain compared to the
ALPS I detector. Furthermore, this thesis is the starting point of TES
detector development in Hamburg, Germany.