Kurzfassung
Die Suche nach neuen fundamentalen Bosonen niedriger Masse ist das
zentrale Ziel des ALPS II Experimentes, das zur Zeit am Deutschen Elektronen-
Synchrotron (DESY, Hamburg) aufgebaut ist. Die Grundlage für dieses
Experiment ist das light-shining-through-the-wall Konzept (übersetzt: Licht
leuchtet durch die Wand). Hierbei können Photonen vor einer lichtundurchlässigen Wand in schwach wechselwirkende, leichte Bosonen oszillieren und
hinter der Wand wieder in Photonen oszillieren. Dadurch entsteht der Eindruck,
dass Licht durch die Wand leuchtet. Zur vollen Ausschöpfung der
Sensitivität erfordert dieses Konzept eine hintergrundfreie Detektion von
Nahinfrarotphotonen.
Die Detektion einzelner Photonen im Nahinfrarotbereich stellt eine Herausforderung
dar und erfordert Kryogen-Technik. In diesem Projekt wird
ein Transition-Edge Sensor (TES) mit einer Betriebstemperatur von weniger
als 100mK für die Detektion von einzelnen Photonen verwendet.
Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit der Charakterisierung und
Optimierung des ALPS-II Detektor-Systems. Dieses beinhaltet einen adiabatischen
Entmagnetisierungs Kühler (Adiabatic Demagnetisation Refrigerator,
ADR) mit einem zwei-Stufen-Pulsrohr-Kühler (engl.: two-stage pulsetube
cooler) und zwei TES Detektoren mit zugehörigen SQUID (engl.: Superconducting
Quantum Interference Devices) Auslesesystemen.
Die zeitliche Stabilit¨at des Systems hat eine hohe Priorität für das ALPS II
Experiment. In diesem Zusammenhang wurde das Kühlsystem mehreren
Nachrüstungen unterzogen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde das
Kühlsystem ausführlich studiert, um dessen Leistung zu optimieren. Ausserdem
wurde die Stabilität des Detektors auf der Grundlage unterschiedlicher
Kriterien studiert.
Weitere essentielle Parameter des ALPS II Experiments sind dessen Detektions
Effizienz und Hintergrundrate. Die Sensitivität hängt direkt von
diesen beiden Parametern ab. Beide Spezifikationen wurden im Detail studiert,
um die Eignung des gewählten TES Detektors zu überprüfen.
The search for new fundamental bosons at very low mass is the central objective of the ALPS II experiment which is currently set up at the Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Hamburg). This experiment follows the light-shining-through-the-wall concept where photons could oscillate into weakly interacting light bosons in front of a wall and back into photons behind the wall, giving the impression that light can shine through a light tight barrier. In this concept, the background-free detection of near-infrared photons is required to fully exploit the sensitivity of the apparatus. The high efficiency single-photon detection in the near-infrared is challenging and requires a cryogenic detector. In this project, a Transition-Edge Sensor (TES) operated below 100mK will be used to detect single photons. This thesis focuses on the characterization and optimization of the ALPS II detector system including an Adiabatic Demagnetisation Refrigerator (ADR) with its two-stage pulse-tube cooler, two TES detectors and their Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs) read-out system. Stability of the detection system over time is a priority in the ALPS II experiment. It is in this context that the cooling system has been subjected to many upgrades. In the framework of this thesis, the cooling setup has been studied in detail in order to optimize its cooling performances. Furthermore, the stability of the detector has been studied according to various criteria. Other essential parameters of the ALPS II experiment are its detection efficiency and its background rate. Indeed, the sensitivity of the experiment directly depends on these two characteristics. Both elements have been studied in depth in order to define if the chosen TES detector will meet ALPS IIc specifications.