DE29823004U1

DE29823004U1 - Detektorvorrichtung

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Publication number: DE29823004U1
Application number: DE29823004U
Authority: DE
Original assignee: CSP Cryogenic Spectrometers GmbH
Current assignee: Edax Inc
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2008-12-24
Also published as: AU3421799A; DE19817786A1; WO1999054696A1; EP1073888A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektorvorrichtung gemäß Anspruch 1.

Derartige Detekto&igr; vorrichtungen mit einem auf einem Tieftemperature!fekt basierenden Sensor, der in einer ersten Kühlstufe mittels eines Pulsröhrenkühlers gekühlt wird, hat einen großen Einsatzbereich in analytischen Anwendungen, bei der Teilchen, Strahlung oder Felder mit hoher Energieauflösung und/oder hoher Zeitauflösung an beliebigen Orten untersucht werden sollen.

Stand der Technik

Zum Kühlen von Sensoren, die auf einein Tiefteinperatureffekt basieren (Kryosensoren oder Kryodetektoren), werden im Stand der Technik Kryostaten verwendet, die eine erste Kühleinrichtung und eine zweite Kühleinrichtung, die von der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt wird, aufweisen, wobei der Sensor an die zweite Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist. Zur Erzeugung einer Temperatur von ungefähr 4K besteht die erste Kühleinrichtung dabei meist aus einem gekoppelten Stickstof f/llel iuiu-Kühler . Dieser ist verfahrens- und vorrichtungstechnisch sehr aufwendig und braucht viel Platz. Des weiteren ist das benötigte flüssige Kühlmittel (Stickstoff, Helium) zum einen teuer und zum anderen nicht überall verfügbar. Aus diesem Grund ist es der Einsatz von Sensoren, die auf einem Tief teinperaturef f ekt basieren, für

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industrielle Zwecke relativ unrentabel und deshalb ungeeignet .

Aus Info-Phys-Tech Nr.6, 1996, aus VDI Technologiezentrum, Physikalische Technologien, ist eine Kältemaschine in Form eines Pulsröhrenkühlers bekannt, wobei der Pulsröhrenkühler der aufweist: ein Pulsrohr, an dessen einem Ende ein kalter Wärmetauscher, an dem Wärme von außen aufgenommen wird, vorgesehen ist, und an dessen anderem Ende ein warmer Wärmetauscher, an dem Wärme nach außen abgegeben wird, vorgesehen ist, einen Regenerator, der als Wärmezwischenspeicher dient, und einen Druckoszillator, der dazu dient, periodische Druckänderunqen zu erzeugen, wobei das Pulsrohr an dem Ende, an dem der kalte Wärmetauscher vorgesehen ist, über jeweilige Leitungen über den Regenerator mit dem Druckoszillator verbunden ist, so daß eine periodische Verschiebung eines Arbeitgases zwischen dem Pulsrohr und dem Druckoszillator ermöglicht wird.

Darstellung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Detektorvorrichtung mit einem auf einem Tief temperatureffekt basierenden Sensor, der mit minimalem vorrichtungs- und verfahrenstechnischem Aufwand gekühlt bzw. vorgekühlt werden kann, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Detektorvorrichtung gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Detektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Kühlsystem mit einer ersten Kühleinrichtung und einer zweiten Kühleinrichtung auf, wobei die zweite Kühleinrichtung von der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt wird. Ferner weist die Vorrichtung eine Detektoreinrichtung zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern mit einem

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auf einem Tieftemperatiireffekt basierenden Sensor auf, wobei die Detektoreinrichtung an die zweite Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die erste Kühleinrichtung einen Pulsröhrenkühler auf. Durch diese Anordnung wird eine Detektorvorrichtung geschaffen, die eine gut.e Energieauflösung hat und aufgrund des minimalen vorrichtungstechnischen Aufwands an quasi beliebigen Orten einsetzbar ist bzw. mobil ist. Des weiteren ist der Betrieb bzw. Unterhalt der ersten Kühlstufe kostengünstig, da der Pulsröhrenkühler nur eine Zufuhr von elektrischen Strom benötigt. Die Folge davon ist, daß auch Personal eingespart werden kann, da keine Person zum Überwachen bzw. Nachfüllen von Kühlmittel bereitgestellt werden muß.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Pulsröhrenkühler ein Pulsruhr auf, an dessen einem Ende ein kalter Wärmetauscher, an dem Wärme von außen aufgenommen wird, vorgesehen ist, und an dessen anderem Ende ein warmer Wärmetauscher, an dem Wärme nach außen abgegeben wird, vorgesehen ist. Des weiteren hat der Pulsröhrenkühler einen Regenerator, der als Wnrmezwischenspeicher dient, und einen Druckoszillator, der dazu dient, periodische Druckänderungen zu erzeugen. Hierbei ist das Pulsrohr an dem Ende, an dem der kalte Wärmetauscher vorgesehen ist, über jeweilige Leitungen über den Regenerator mit dem Druckoszillator verbunden, so daß eine periodische Verschiebung eines Arbeitgases zwischen dem PuI. srohr und dem Druckoszillator ermöglicht wix"d. Im Gegensatz zu anderen mechanischen Kühlern hat der PulsröhrenkühJ or die vorteilhafte Eigenschaft, daß er sehr vibrationsarm ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Pulsrohr an dem Ende, an dem der wärme Wärmetauscher vorgesehen ist, ferner einen Strömungswiderstand und einen Behälter zur Aufnahme eines Ballastvoluinens auf.

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KiIWIt

Gemäß einer weiterem vorteilhaften Avisgestaltung weist der Pulsröhrenkühler ferner eine Sekundärleitung auf, die sich von dem Ende des Pulsrohrs, an dem der warme Wärmetauscher vorgesehen ist, zu der Leitung zwischen dem Druckoszillator und dem Regenerator hin erstreckt und in diese mündet, wobei die Sekundärleitung einen variablen bzw. variabel einstellbaren Strömungswiderstand aufweist.

Die zweite Kühleinrichtung ist vorteilhafterweise in der Nähe des kalten Wärmetauschers angeordnet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Kühleinrichtung eine Mehrzahl von Pulsröhrenkühlern auf. Diese sind dabei vorteilhafterweise derart angeordnet, daß sie in mehreren aufeinanderfolgenden Kühlstufen eine vorbestimmte Temperatur erreichen, auf die ein zu kühlendes Objekt gekühlt werden soll. Prinzipiell kann das zu kühlende Objekt oder eine Vielzahl zu kühlender Objekte an jedem beliebigen Kaltkopf der jeweiligen Kühlstufen angeordnet werden. Es ist jedoch vorteilhaft das zu kühlende Objekt an der Kühl stuff⁵ anzuordnen, die die niedrigste Temperatur bereitstellt.

Die Detektoreinrichtung kann ferner einen Absorber aufweisen, der an den Sensor thermisch gekoppelt ist und in dem einfallende Teilchen und Strahlung wechselwirken. Der Absorber kann dabei aus einem Dielektrikum oder einem Halbleiter oder einem Metrill oder einem Halbmetall oder einer Halbmetallegierung odor einem Supraleiter oder aus einer Kombination der einzelnen Materialien bestehen.

Als die zweite Kühleinrichtung wird vorteilhafterweise eine Entmagnetisierungsstufe verwendet. Es kann des weiteren ein He/ He-Entmischungskühler oder ein He-Kühler oder eine mechanische Kühleinrichtung wie ein Helium-Koiupressorkühler oder eine elektrische Kühleinrichtung wie

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ein Peltiereleiuent odor eine supraleitende Tunneldiode wie eine NIS-Diode eingesetzt werden.

Gemäß einer weiteten vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung ist das Kühlsystem Teil eines Kryostaten, in dem die Detektoreinrichtung untergebracht ist, wobei der Kryostat ferner eine Eintrittsöffnung zum Durchlassen der zu untersuchenden Teilchen und Strahlung vom Äußeren des Kryostaten in das Innere des Kryostaten zu der Delektoreinrichtung aufweist. Außerdem kann der Kryostat eine Fokussierungseinrichtung wie eine Röntgenlirise oder eine Wolter-Anordnung oder eine Fresnellinse oder fokussieirende Röhrenbündel oder elektrische Fokus sierungseinr ich tungon/Defokussierungseinrichtungen oder

magnetische Fokussi erungsein richtungen/Defokussie

rungseinr ichtungen aufweisen.

Die in der Detektorvorrichtung verwendeten auf einem Tieftemperatureffekt basierende Sensoren, oder auch Kryodetektoren bzw. kryogene Detektoren, sind Sensoren, die durch eine Strahlungs- oder Teilchenabsorption deponierte Energie mittels eines Effektes, der nur oder insbesondere bei tiefen Temperaturen (Betriebstemperaturbereich kleiner als 20 K, vorzugsweise jedoch kleiner als < 4 K) auftritt, messen. Diese Temperaturen werden von eine Wärmesenke bereitgestellt, die an die Detektoreinrichtung, welche einen jeweiligen auf einem Tief temperature!fekt basierenden Sensor aufweist, thermisch gekoppelt ist.

Diese Effekte können sein:

i) Temperaturerhöhung nach Energiedeposition (Kalorimeter) in einem Absorber (Dielektrikum, Metall, Supraleiter, usw.). Diese Temperaturerhöhung ist umso höher je tiefer die Ausgangs temperatur ist, da die Wärmekapazitäten bei den tiefen Temperaturen abnehmen. Je größer die

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Temperaturerhöhung IsL, desto genauer kann aus ihr die deponierte Energie abgeleitet werden.

ii) Erzeugung von Phononen (Gitterschwingungen in einem Absorbermaterial) durch die Energiedeposition. Damit diese Gitterschwingunqen möglichst stark "hervortreten", d.h., eine genaue Bestimmung der Energie (und eventuell des Ortes der Energiedeposition im Absorber) möglich ist, sollten im Ausgangszustand möglichst wenige Gitterschwingungen vorhanden sein. Je tiefer die Ausgangs temperatur, desto weniger Gitterschwingungen sind vorhanden.

iii) Erzeugung von Quasiteilchen (Aufbrechen von Cooperpaaren) in einem Supraleiter. Supraleitung ist ein Tief temperaturef Cekt. ,.Je tiefer die Übergangstemperatur zur Supraleitung, desto mehr dieser Quasi teilchen werden durch die Energiedeposit ion erzeugt. Je mehr der Quasiteilchen erzeugt werden, desto genauer kann die Energie bestimmt werden.

iv) Änderung der Spinausrichtung bzw. Magnetisierung in einem auf tiefe Temperaturen abgekühlten Spinsystem bestehend aus paramagnetisehen Ionen aufgrund einer Energiedeposition .

Um die Temperaturerhöhung, die Gitterschwingungen, die Quasiteilchen (allgemein die Anregungen) bzw. die Änderung der Magnetisierung zu messen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei generell gilt, daß die Anregungen in einem Absorber erzeugt werden und in einem Sensor nachgewiesen werden. Sensor und Absorber können dabei identisch sein. Als Sensoren kommen in Frage:

a) Supraleitend!.¹ Phasenübergangsthermometer, wie beispielsweise als Sensor in einem Mikrokalorimeter: Diese bestehen im wesentlichen aus einem Absorber, einem Thermo-

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Detektorvoi richtung
CSP Crogenic Spectrometers

meter (supraleitende Schicht, beispielsweise aus Wolfram, Iridium, Aluminium odor Tantal) und einer Kühleinrichtung bzw. einer Kopplung an eine Wärmesenke. Im Temperaturübergangsbereich zwischen seiner supraleitenden und norinalleitenden Phase ändert dar- Thermometer seinen elektrischen Widerstand sehr stark in Abhängigkeit von der Temperatur, d.h., auch nach Absorption von Gitterschwingungen und Quasiteilchen .

b) Supraleitende Tunneldioden: Sie bestehen aus zwei überlappenden dünnen supraleitenden Filmen (SlS: Supraleiter-Isolator-Supralej tee, wobei die Filme nicht notwendigerweise aus dem gleichen Supraleiter auf beiden Seiten bestehen müssen) oder einem supraleitenden und einem nornialleitenden Film (NTS: Normalleiter-isolator-Supraleiter), wobei die jeweiligen Filme durch eine dünne elektrisch isolierende Barriere getrennt sind. Die Barriere ist so dünn, daß sie quantenmechanisches Tunneln von Elektronen, bzw. Quasiteilchen von der einen Elektrode zur anderen erlauben.

Wird die NIS-Diode oder SIS-Diode unterhalb der Sprungtemperatur der jeweiligen Supraleiter betrieben, und ist die angelegte Spannung kleiner als die der supraleitenden Energielücke entsprechenden Spannung (NIS) bzw. kleiner als zweimal diese Spannung (SIS), so steigt der über die Barriere fließende Strom, wenn in der Tunneldiode Energie deponiert wird. Die Deposition der Energie kann durch Temperaturerhöhung, Absorption von Gitterschwingungen oder Quas!teilchen oder direkt durch Absorption von Strahlung oder Teilchen geschehen.

c) Thermistor, wie NTD-Thermoineter (NTD: "Neutron Transmutation Doping", d.h., mit Neutronen hochdotierter Halbleiter). Diese Thermometer können zum Messen von Temperaturschwankungen verwendet werden, da bei ihnen, wie bei allen Halbleitern der Widerstand mit sinkender Temperatur zunimmt. Um zu vermeiden, daß bei sehr tiefen Temperaturen die Widerstände so hoch anwachsen, daß sie nicht mehr mit

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Detektorvorriclitung CSP Crogenic Spectrometers

genügender Genauigkeit: gemessen werden können, werden die verwendeten Halbleiter hochdotiert, wodurch ihr Widerstand abgesenkt wird.

d) Magnetische Bolometer. Diese Sensoren, die eine schwache thermische Kopplung an ein Kältebad bzw. eine Wärmesenke mit einer Temperatur vorzugsweise im Millikelvinbereich haben, umfassen eine schwache Konzentration von paramagnetischen Ionen in ei.nein magnetischen Feld. Als derartige Ionen werden vortei]hafterweise Ionen von seltenen Erden, wie beipsielsweise von Erbium (Er ⁺), verwendet. Wenn ein kleiner Energiebel rag, beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung, in einem derartigen Sensor deponiert wird, verursacht der Temperaturanstieg eine Änderung der Magnetisierung des von den paramagnetischen Jonen gebildeten Paramagneten, die beispielsweise unter Verwendung einer Spule, die an einen Eingang eines SQUlDs angeschlossen ist, gemessen werden kann. Vorteilhafterweise ist an das magnetische Bolometer ein Absorber thermisch gekoppelt.

Die Verwendung derartiger kryogener Sensoren bietet mehrere Vorteile. Zum einen ist eine gute Energieauflösung zu nennen, die bei G keV Röntgenstrahlung im Bereich von etwa 5 eV und bei 1,5 keV Röntgenstrahlung im Bereich von etwa 3 eV liegt. Neben der guten Energieauflösung der kryogenen Sensoren ist auch deren üetektionseffizienz auch bei niedrigen Energien (kleiner als 2 keV) vorteilhaft. Es kann quasi jedes auf den Sensor einfallende Photon erfaßt und nachgewiesen werden. Außerdem kann ein vorbestimmter Energiebereich von zu analysierenden Teilchen oder Strahlung simultan erfaßt werden und es lassen sich die von den Teilchen bzw. Strahlung im Detektor erzeugten Pulse schnell auslesen, wodurch auch zeitabhängige Phänomene mit kurzer Zeitkonstante beobachtet werden können.

[FiIeANM¹CSI 503B1.doc] Beschreibung. 15 12.98 Delektoivorrichtung CoP Crogenic Spectiometeis

Zur Verbesserung der Auslesegeschwindigkeit bzw. zum Einstellen einer optimalen Betriebstemperatur des Detektoreinrichtung bzw. des Sensors, ist vorteilhafterweise eine Heizeinrichtung vorgesehen, die an die Detektoreinrichtung thermisch gekoppelt ist. Liegt die Temperatur bzw. der Temperaturbereich des Kühlsystems bzw. der zweiten Kühleinrichtung unterhalb der für den jeweiligen kryogenen Sensor optimalen Temperatur, bzw. schwankt die bereitgestellte Kühl temperatur, so läl>L sich durch Regelung der durch die Heizeinrichtung dein Sensor zugeführten Energie eine optimale Betriebstemperatur einstellen. Ferner bietet die Einstellung einer Temperatur oberhalb der von der Kühleinrichtung bereitgestellten Temperatur die Möglichkeit der "aktiven Kühlung". Dabei verstellt man die Wegnahme der Heizleistung bei einer in der Sensoreinrichtung stattfindenden Energiedeposition eines einfallenden Teilchens bzw. einfallender Strahlung. Durch die schnelle Rückstellung der Sensoreinrichtung auf die vorbestimmte optimale Betriebstemperatur läßt sich auf diese Weise eine Signalbeschleunigung und somit eine Verbesserung der Auslesegeschwindigkeit erzielen.

Zum Erfassen von Mognet feldern bzw. dessen Änderungen können auch SQULDs ("Superconducting Quantum Interference Device", supraleitende Quanten-interferenz-Vorrichtungen) als Sensoren verwendet werden.

Die Detektoreinrichtung kann Cerner eine Vielzahl von Sensoren aufweisen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn zwei verschiedenartige Sensoren verwendet werden, deren Energieauflösung in jeweils verschiedenen Energiebereichen unterschiedlich gut ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus führuncjs formen anhand der Zeichnung.

[File:ANM\CS1503B1.doc] Beschieibuny, 15.12.98 DeteklorvorrichUing CSP Crogenic Speclromeleis

Es zeigen:

Figur 1 eine sclieiiiat ische Darstellung einer erfin
dungsgemäßen Detektorvorrichtung, bei der die Detektorein
richtung in einem Kryor. taten untergebracht ist;

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Pulsröh
renkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung;

Figur 3 eine schema tische Darstellung eines Pulsröh
renkühlers gemäß einer zweiten Ausgestaltung;

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung;

Figur 5 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in Figur 4;
20

Figur 6 eine sehomatische Querschnittsansicht einer realen Geometrie eines Pulsröhrenkühlers;

Figur 7 eine schematische Darstellung eines zweistufiges Pulsröhrenkühlersystein mit den wichtigstem Komponenten; und

Figuren 8 eine schematische Darstellung einer realen Geometrie eines als Detektoreinrichtung verwendbaren Mikrokalorimeters.

Im folgenden wird die Detektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
35

Kryostat

(Filc:ANM\CS1503B1.doc] Beschreibung, I5 12.98 Detektorvon ichtung CSP Ciogenic Speclionieteis

Es sei dabei zunächst auf Figur i verwiesen, die eine schematische Darstellung einer erf indungsgemäßeri Detektorvorrichtung, bei der die Detektoreinrichtung in einem Kryostaten untergebracht ist zeigt.

Von innen nach aulieu betrachtet, ist die Detektoreinrichtung 60 zum Erfassen von Teilchen, Strählung oder Felder, wie beispielsweise ein Mikrokaiorimeter, über einen sogenannten Kühlfinger 95 an eine Salzpille 106 einer zweiten Kühleinrichtung liier in der Form einer (adiabatischen) Entinagnetisierungsstu f e 82,83,85, 86,87, die eine Wärmesenke mit einer Temperatur von ungefähr 30 bis 300 mK darstellt, thermisch gekoppelt. Die zweite Kühleinrichtung weist ferner einen Magnet 82 auf, der das Salz in der Salzpille 83 magnetisiert. Zur thermischen Entkopplung ist die Salzpille 83 hier beispielsweise über Kevlarfäden 85 aufgehängt, wobei die Fäden 85 durch eine Spannvorrichtung 86, beispielsweise in Form von Federn oder Materialien, die sich bei Temperaturabnahme zusammenziehen, gespannt werden. Mittels eines Wärmeschalters 87 kann während des Betriebs der Entmagnetisierungsstufe die Salzpille 83 mit dem Magnet 82 bzw. der Spannvorrichtung 86 thermisch gekoppelt werden. Die Entmagnetisierurigss tuf e ist dabei von einem Magnetschild 94 umgebc;n. Der Magnetschild 94 dient zur Abschirmung des Magneten 8 2 gegenüber der Umgebung. Im Betriebsmodus der Detektoreinrichtung wird der Magnet 82 bzw. dessen Feld langsam heruntergofahren, so daß die Temperatur in der Salzpille 83 konstant auf oder unterhalb der Betriebstemperatur der Detektoreinrichtung 60 bzw. deren Sensors gehalten wird. Das dabei noch vorhandene Magnetfeld muß kompensiert und abgeschirmt werden. Dazu kann die Spule des Magneten 82 bereits Kompensationsspulen aufweisen. Der Magnetschild 94 kann aus einem Supraleiter (z.B. Niob, Ta) oder aus einem Material mit holier Magnetisierung (z.B. Kryoperm oder Vacrylux oder einer Kombination von beidem) bestellen. Am unteren Ende weist der um die Entmagnetisie-

[File:ANM\CS1503u1.doc] Beschreibung.

Detektorvornchtung CSP Crogenic Spectrometers

15.12.90

rungsstufe angeordnete Magnetschild 94 ein kleines Loch auf, durch das sich dor Kühl tinger 95 erstreckt, der die Detektoreinrichtung 60 hält. Des weiteren sind die Entmagnetisierungsstufe und die Detektoreinrichtung 60 von einem Schild 84 umgeben, innerhalb dessen eine Temperatur T_K von ungefähr 4 K eingestellt ist. Diese Temperatur T_K wird von dem Pulsrohr 30 eingesieljt, das die 2. Stufe eines als erste Kühleinrichtung eingesetzten Pulsröhrenkühlersystems darstellt. Dabei ist ein Kaltkopf 34 bzw. ein kalter Wärmetauscher 34 bzw. eine "4K-Platte" 34 mit dem Magnet 82 verbunden. Der 4K-SchiLd 04 ist von einem Schild 81 umgeben, innerhalb dessen eine Temperatur von ungefähr 67 K eingestellt ist. Diese Temperatur wird von einem Pulsrohr 20 eingestellt, das die eiste Stufe des als erste Kühleinrichtung eingesetzten Pulsröhrenkühlersystems darstellt. Dabei ist ein Kaltkopf 2 4 b/.w. ein kalter Wärmetauscher 2 4 bzw. eine "67K-Platte" 24 mit dem 67K-Schild 81 verbunden. Die übrigen Komponenten der jeweiligen Pulsröhrenkühler neben den Pulsrohren 20,30, wie der Regenerator oder der Druckoszillator, sind der Einfachheit halber in Figur 1 nicht dargestellt. Die Außenhülle des Kryostats 90 bildet ein Vakuumtopf 80, der die jeweiligen Kühleinrichtungen und die Detektoreinrichtung 60 mit Sensor und Absorber (nicht dargestellt) umgibt. Damit Strahlung vom Äußeren ins Innere des Kryostats 9 1 gelangen und auf die Detektorichtung 60 treffen kann, sind Eintrittsfens tec 90 vorgesehen.

PuIsröhrenkühler

Im folgenden wird der Aufbau und die Wirkungsweise eines Pulsröhrenkühlers beschrieben. Dabei zeigt Figur 2 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

[File:ANM\CS1503B1.doc] Beschreibung. &Igr;&Ogr;.12.98 Detektorvorrichlung CSP Crogenic Spectrometers

Der Kühleffekt beim Pulsröhrenkühler beruht auf der periodischen Druckänderung und Verschiebung ("Pulsieren") eines Arbeitsgases in ej nein dünnwandigen Zylinder mit Wärmetauschern an beiden Enden, dein sogenannten Pulsrohr 20. Das Pulsrohr 20 ist mit dem Druckozil1ator 10,15 über einen Regenerator 40 verbunden. Der: Regenerator 40 dient als Wärmezwischenspeicher, der das vom Druckoszillator 10,15 einströmende Gas vor Eintritt in das Pulsrohr 20 abkühlt und anschließend das ausströmende Gas wieder auf Raumtemperatur erwärmt. Für diesen Zweck ist er vorteilhafterweise mit einem Material holier Wärmekapazität gefüllt, das einen guten Wärmeaustausch mit dem strömenden Gas bei gleichzeitig geringem Durchflußwiderstand aufweist. Bei Temperaturen oberhalb 30 K verwendet man Stapel von feinmaschigem Edelstahl- oder Bronzesiebi-n als Regeneratorfüllung. Für tiefere Temperaturen setzt man aus Gründen der hohen Wärmekapazität Bleischrot und neuerdings auch magnetische Materialien, z.B. Er-Ni-Legierungen, ein. Zur Erzeugung der Druckoszillation wird, wie es in Figur 5 gezeigt ist, ein Kompressor 10 in Kombination mit einem nachgeschalteten Rotationsventil· 15 verwendet, das periodisch die Hoch- und Niederdruckseite des Kompressors mit dem Kühler verbindet. Alternativ dazu kann die Druckoszil la ti on direkt über die Kolbenbewegung eines ventil losen Kompressors erzeugt werden.

In der ersten Ausgestaltung des Pulsröhrenkühlers ist das Pulsrohr am warmen Ende 22 geschlossen. Der Kühlprozeß läuft qualitativ wie folgt ab: In der Kompressionsphase strömt das im Regenerator 40 vorgekühlte Gas in das PuIsrohr 20 ein. Durch die Druckerhöhung wird das Gas im Pulsrohr 20 erwärmt und gleichzeitig zum warmen Wärmetauscher 22 hin verschoben, wo ein Teil der Koinpressionswärme an die Umgebung abgeführt wird. Durch die anschließende Expansion erfolgt eine Abkühlung des Gases im Pulsrohr 20. Das Gas, welches das Pulsrohr 20 verläßt, ist kalter als beim Eintritt und kann daher Wärme aus dem kalten Wärmetauscher 24 und dem zu kühlenden Objekt, beispielsweise einer zweiten

[File:ANM\CS1503B1.doc] Beschreibung. 15.12.93 Detektoi vor richtung CGP Ctogcnic Speclioineteis

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bzw. weiteren Kühleinrichtung, aufnehmen. Eine genauere Analyse des Prozesses in dieser Ausführungsform zeigt, daß für den Wärmetransport vom kalten 24 zum warmen 22 Ende ein Wärmeaustausch zwischen Gas und Rohrwandung erforderlich ist ( "Ober!lächeriwariuopumpeii") . Da der Wärmekontakt jedoch nur in einer dünnen Gasscliicht an der Rohrwandung erfolgt, ist dieser Kühlprozeß noch nicht optimiert.

Figur 3 zeigt nun eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkuhlers 20 gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Hierbei ergibt sich eine wesentliche Steigerung der Effektivität durch den Anschluß eines Bailastvolumens 70 über einen Strömungswiderstand (Nadelventil) 26 am warmen Wärmetauscher 22. Zum einen strömt hier mehr Gas durch den warmen Wärmetauscher 22, das dort dann Kompressionswärme abgeben kann. Zum anderen leistet das Gas im Pulsrohr 20 Arbeit beim Verschieben von ("ras in das Ballastvolumen 70, wodurch ein wesentlich höherel" Kühleffekt erreicht wird.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung, bei der sich die Effektivität des Kühlers sich weiter steigern läßt, indem der Anteil des Gasflusses, der zur Druckänderung im warmen Teil des Pulsrohres 20 nötig ist, durch einen zweiten Einlaß am warmen Ende geleitet wird. Da dieser Gasfluß nicht mehr den Regenerator 4 0 passiert, werden die Verluste im Regenerator 40 verringert. Außerdem stellt sich 0 bei zweitem Einlaß (mit einem Ventil 28) eine für die Kühlung günstigere zeitliche Abfolge von Druck- und Flußvariation ein.

Figur 5 zeigt einen schematischen Gesamtaufbau eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in Figur 4. Dabei speist in

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diesem System ein komuierzielJ er Ilelium-Kompressor 10 ein motorgetriebenes Rotationsventil 15, das zur Steuerung das Heliumgasstroin.es dient.

Zur mechanischen !Entkopplung und zur Reduzierung von elektromagnetischen Störungen können der eigentliche Kühler und das Rotationsvent.il über eine flexible Kunsts toff leitung 12 miteinander verbunden.

Ein reale Geometrie eines Pulsröhrenkühlers ist in einer schematischen Queischnittsansicht in Figur 6 gezeigt. Um eine möglichst schlanke Bau form zu erreichen, sind Pulsrohr 2 0 und Regenerator 4 0 koaxial angeordnet. Der warme Wärmetauscher 22 wird nur durch die Umgebungsluft gekühlt. Der Kaltkopf 24 mit konisch geformter Innenfläche zur Führung des Gasflusses dient als (kalter) Wärmetauscher 24 zwischen Objektträger Tür die zu kühlenden Objekte 95 und dem Arbeitsgas. Das Vakuumisoliergefäß 93 mit integriertem Ballastvolumen 70 ist im unteren Teil, der die zu kühlenden Objekte 95 umschließt, aus Plexiglas gefertigt, wodurch eine Verringerung des elektronischen Rauschens erreicht wird. Am oberen Ende des Pu1sröhrenkühlers sind Gaseinlasse 94 für den warmen Wärmetauscher bzw. das Pulsrohr vorgesehen.

Neben der Verwendung eines einzelnen Pulsröhrenkühlers ist es auch möglich, zur Erzeugung besonders tiefer Temperaturen ein zweistufiges Pulsröhrenkühlersystem, wie es schon in Figur 1 gezeigt worden ist, zu verwenden.

Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines zweistufiges Pulsröhrenkühlersystem mit den wichtigstem Komponenten. Zur Erzeugung von Druckoszillationen ist ein Kompressor 10 an ein Rotationsventil 15 gekoppelt. Eine Leitung 12 verbindet das Rotationsvent.il 15 mit dem Pulsröhrenkühlersystem. Dieses.-! weist einen Regenerator 40 der er-

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Delektorvoi richtung ··««

CSP Crogenic Spectrometer

sLen Stufe und einen Regenerator 5Ü der zweiten Stufe auf, wobei zwischen diesen ein Flußausrichter ("flow straightener") 45 angeordnet ist. Ferner weist das Pulsröhrenkühlersystem ein erstes PuIsrohr 2 0 mit einem warmen Wärmetauseller 2 2 und einem kalten Wärmetauscher bzw. Kaltkopf 24 und ein zweites Pulsrohr 30 mit einem warmen Wärmetauscher 32 und einem kalten Wärmetauscher bzw. Kaltkopf 34 auf. Die jeweiligen warmen Wärmetauscher 22 und 32 sind über Drosselventile, beispielsweise in der Form von Nadelventilen 26 und 36, mit einem gemeinsamen Ballastbehälter bzw. Ballastvolumen 70 verbunden. Fs ist ferner denkbar, daß anstelle des gemeinsamen Ballastvolumens zwei getrennte Ballastvolumina verwendet werden. Außerdem sind an den jeweiligen warmen Wärmetauschern 2 2 und 3 2 Ventile 2 8 und 3 8 für einen zweiten Einlaß vorgesehen. Der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 kühlt dab^i einen von einem Wärme- bzw. Strahlungsschild 92 umgebenen Bereich bis auf ungefähr maximal 50 K vor, während am Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 eine Temperatur von ungefähr 2,2 bis 4,2 K bereitgestellt wird (vgl. dazu C. Wang et al.:"A two-stage pulse tube cooler operating below 4 K", Cryogenics 1997, Volume 37, Nr. 3).

Die Kühlsysteme der ecfindungsgemäßen Detektorvorrichtung, die Pulsröh renkiihler aufweisen, sind aufgrund der fehlenden beweglichen '!.'eile sehr vibrationsarm und deshalb auch besonders gut tür die Kühlung von empfindlichen Sensoren wie SQUIDs geeignet.

Detektoreinrichtung

Als Detektoreinrichtung in einer erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung kann beispielsweise ein Mikrokalorimeter eingesetzt werden, dessen Sensor ein Phasenübergangsthermometer ist. Allgemein umfaßt dabei ein Mikrokalorimeter eine Sensoreinrichtung bestellend aus einem Thermometer, das ein

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Delektorvoniclitung
CSP Ciocjenic Specttometers

supraleitendes Material mit einem eine endliche Breite aufweisenden Übergangs temperaturbereich von der normalleitenden in die supraleitende Phase aufweist, wobei die Sprungtemperatur in der Mitte des Übergangstemperaturbereichs liegt und der elektrische Widerstand des supraleitenden Materials innerhalb dos Übergangstemperaturbereichs mit wachsender Temperatur ansteigt. Ferner weist das Mikrokalorimeter einen Absorber auf, der an das Thermometer thermisch gekoppelt ist und in dein einfallende Teilchen oder Strahlung wechselwirkt, fine Kühleinrichtung ist zum Bereitstellen einer Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Thermometers vorgesehen, wobei durch eine Heizeinrichtung der Tempera turarbeitspunkt des Thermometers innerhalb des Übergangstemperaturbereichs einstellbar ist. Zum Registrieren einer Widerstandsänderung aufgrund von einfallenden Teilchen oder Strahlung ist eine Ausleseelektronik, die elektrisch bzw. magnet i.sch mit dem Thermometer verbunden ist und den durch das Thermometer fJießenden Strom erfaßt vorgesehen. Zur Minimierung der aufzubringenden Kühlleistung sind die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung vorteilhafterweise getrennt voneinander an die Sensoreinrichtung thermisch gekoppelt. Zur Verbesserung der Signalbeschleunigung kann die Kühleinrichtung oder die Heizeinrichtung oder beide gleichzeitig flächig mit der Sensoreinrichtung thermisch gekoppelt sein. Flächige thermische Kopplung heißt hierbei, daß die Kopplung über eine ausgedehnte Kontaktfläche und nicht mir quasi-punkt f örniig wie bei Bonddrähten erfolgt.

Die Figuren 8 zeigen nun eine schematische Darstellung einer realen Geometrie der Komponenten eines Mikrokalorimeters, das bei der erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung als Detektoreinrichtung verwendet werden kann.
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Dabei zeigt Figur Ua eine Draufsicht auf die Mikrokalorieineteranordnung, Figur Ob eine Schnittansicht entlang der

[File:ANM\CS 1503D1.doc] Besciueibuny. IG 12.98 Detektorvorrichtung CSP Crogenic Spectrometers

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in Figur 8a dargestellten Linie b-b und Figur 8c eine Schnittansicht entlang der in Figur 8a dargestellten Linie c-c. Von oben nach unten betrachtet wird ein Thermometer (supraleitender Film) 101 über Kontaktierflächen aus Aluminium, sogenannte Alumi .n luin-Bondpads 135,136 elektrisch kontaktiert und über supraleitende Drähte J45,146 mittels einer Ausleseelektronik, beispielsweise einer herkömmlichen Vorverstärkerelektronik, jedoch vorzugsweise mittels eines SQUID-Systems ausgelesen. Als Heizelemente sind Goldheizer 122,123 über einen elektrisch leitenden Absorber 102 verbunden. Sie werden über Aluininium-Bondpads 137, 138 elektrisch kontaktiert und über supraleitende Drähte 147,148 an eine Spannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen. Die Goldheizer sind über ihre thermische Leitfähigkeit an das Thermometer 101 und den Absorber gekoppelt. Ein Substrat 130 bietet dabei eine Kopplung zur Kühleinrichtung.

Offenbart ist eine üetektorvorrichtung mit einem Kühlsystem, das eine ersten Kühleinrichtung 20,30 und einer zweiten Kühleinrichtung 82,83 aufweist, wobei die zweite Kühleinrichtung von der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt wird. Ferner weist die Detektorvorrichtung eine Detektoreinrichtung GO zum Frfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern mit einem auf einem Tief temperature!fekt basierenden Sensor auf, wobei die Detektoreinrichtung an die zweite Kühleinrichtung 20,30 thermisch gekoppelt ist. Erfindungsgemäß weist die erste Kühleinrichtung einen Pulsröhrenkühler 20,30 auf. Dadurch wird eine Detektorvorrichtung mit einem vergleichsweise einfach aufgebauten Kühlsystem geschaffen, wobei Sensoren betrieben werden können, die eine gute Energieauflösung haben und aufgrund des minimalen vorrichtungstechnischen Aufwands des Kühlsystems an quasi beliebigen Orten einsetzbar sind.

Beschreibung. 15.12.98

Detektorvorrichtung

CSP Crogenic Spectrometers

Uezugszeichenliste

10 Kompressor

12 Leitung vom Kompressor weg

15 Rota tionsventil

20 PuJsrohi", erstes Pulsrohr

2 2 warmer Wärmetauscher von 2 0

24 kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von 20

2 6 Strömungswiderstand, Nadelventil zu 7 0 28 Ventil des zweiten Einlasses

3 0 zweites Pu Is rohr

3 2 warmer Wärmetauscher von 30

34 kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von 30

36 Strömungswiderstand, Nadelventil zu 7 0

38 Ventil des zweiten Einlasses

4 0 Regenerator, Regenerator der ersten Stufe

5 0 Regenern tor der zweiten Stufe 60 Detekto reinrichtung

7 0 BaI las tvoi unten

8 0 Vakuum top &Ggr;

81 67K-Sc)ii.ld

82 Magnet der zweiten Entmagnisierungsstufe

83 SalzpilJe der zweiten Entmagnisierungsstufe 8 4 4 K-Sc hi.Id

85 Kovlaraufhängung

86 Spannvorrichtung

8 7 Wärmeschalter

90 Eintrittsfenster

91 Kryostat

92 Wärme-, Strahlungsschild

9 3 Vakuum isolierge &iacgr; aß 9 4 Magnetschild

9 5 Kühl finger

101 Thermometer (supraleitender Film)

102 Absorber 122,123 üoldhei/.er

[File:ANM\CS1503B1.doc] Beschreibung. \ &Ggr;) 12.98 Detektorvonichtung CSP Crogenic Spectrometers

13 0 SubsLrai.

135,136 Aiuiu.i &eegr; iunibondpads am Thermometer

137,138 Aluminlmubondpads am Goldheizer

145,146 supraleitende Auslesedrähte am Thermometer

147,148 supraleitende Drähte an dem Goldheizer

Claims

Ansprüche

1. Detektorvorrichtung, die aufweist:

ein Kühlsystem mit einer ersten Kühleinrichtung (20,30) und einer zweiten Kühleinrichtung (82,83,85,86,87), wobei die zweite Kühleinrichtung von der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt wird;

einer Detektoreinrichtung (60) zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern mit einem auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor (101), wobei die Detektoreinrichtung an die zweite Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Kühleinrichtung einen Pulsröhrenkühler (20,30) aufweist.

2. Detektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsröhrenkühler aufweist:

ein Pulsrohr (20,30), an dessen einem Ende ein kalter Wärmetauscher (24,34), an dem Wärme von außen aufgenommen wird, vorgesehen ist, und an dessen anderem Ende ein warmer Wärmetauscher (22,32), an dem Wärme nach außen abgegeben

wird, vorgesehen ist;

einen Regenerator (40,50), der als Wärmezwischenspeieher dient; und

einen Druckoszillator (10,15), der dazu dient, periodische Druckänderungen zu erzeugen,

wobei das Pulsrohr (20,30) an dem Ende, an dem der kalte Wärmetauscher vorgesehen ist, über jeweilige Leitungen über den Regenerator (40,50) mit dem Druckoszillator (10,15) verbunden ist, so daß eine periodische Verschiebung eines Arbeitgases zwischen dem Pulsrohr und dem Druckoszillator ermöglicht wird.

3. Detektorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsrohr an dem Ende, an dem der warme Wärmetauscher (22,32) vorgesehen ist, ferner einen Strö-

[File:ANM'.CS1503A1.doc] Ansprüche. 15 12.!

Detektorvorrichtung

CSP Crogenic Spectrometers

mungswiderstand (26,36) und einen Behälter (70) zur Aufnahme eines Ballastvolumens aufweist.

4. Detektorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsröhrenkühler ferner eine Sekundärleitung aufweist, die sich von dem Ende des Pulsrohrs, an dem der warme Wärmetauscher vorgesehen ist, zu der Leitung (12) zwischen dem Druckoszillator und dem Regenerator hin erstreckt und in diese mündet, wobei die Sekundärleitung einen variablen Strömungswiderstand (28,38) aufweist.

5. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühleinrichtung (82,83,85,86,87) in der Nähe des kalten Wärmetauschers (24,34) des Pulsrohrs angeordnet ist.

6. Detektorvorcichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (60) ferner einen Absorber (102) aufweist, der an den Sensor (101) thermisch gekoppelt ist und in dem einfallende Teilchen und Strahlung wechselwirken.

7. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet ferner durch eine Heizeinrichtung (122,123), die an die Detektoreinrichtung thermisch gekoppelt ist.

8. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Phasenübergangsthermometer (101) aufweist.

9. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine supraleitende Tunneldiode, wie beispielsweise eine SIS- oder NIS-Diode, aufweist.

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10. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen Thermistor, wie beispielsweise einen NTD-Thermistor, aufweist.

11. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein magnetisches Bolometer aufweist.

12. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (60) eine Vielzahl von Sensoren aufweist.

13. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (102) aus einem Dielektrikum oder einem Halbleiter oder einem Metall oder einem Halbmetall oder einer Halbmetallegierung oder einem Supraleiter oder aus einer Kombination der einzelnen Materialien besteht.

14. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühleinrichtung eine Entmagnetisierungsstufe (82,83,85,86,87) oder einen ^JHe/ He-Entmischungskühler oder einen He-Kühler oder eine mechanische Kühleinrichtung wie einen Helium-Kompressorkühler oder eine elektrische Kühleinrichtung wie ein Peltierelement oder eine supraleitende Tunneldiode wie eine NIS-Diode aufweist.

15. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem Teil eines Kryostaten (91) ist, in dem die Detektoreinrichtung (60) untergebracht ist, wobei der Kryostat (91) ferner eine Eintrittsöffnung (90) zum Durchlassen der zu untersuchenden Teilchen und Strahlung vom Äußeren des Kryostaten in das Innere des Kryostaten zu der Detektoreinrichtung (60) aufweist.

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Detektorvorrichtung
CSP Crogenic Spectrometers

16. Detektorvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kryostat eine Fokussierungseinrichtung wie eine Röntgenlinse oder eine Wolter-Anordnung oder eine Fresnellinse oder fokussierende Röhrenbündel oder elektrisehe Foku s s ier u ngse i ti r ic htungen/De fokus s ierungs einrichtungen oder magnetische Fokussierungseinrichtungen/Defokussierungseinrichtungen aufweist.

17. Detektorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kühleinrichtung eine Mehrzahl von Pulsröhrenkühlerri (20,40) aufweist.

18. Detektorvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsröhrenkühler der Mehrzahl von PuIsröhrenkühlern derart angeordnet, daß sie in mehreren aufeinanderfolgenden Kühl stufen eine vorbestimmte Temperatur T_K erreichen.