Die derzeit empfindlichsten Sensoren können bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt einzelne Elementarteilchen detektieren. Die Auslese dieser Sensoren erfordert anspruchsvolle Elektronik. Am IPE entwickeln wir Auslesesysteme, welche hunderte von diesen kryogenen Sensoren erfassen können.

 

Metallisch magnetische Kalorimeter (MMC) sind hochpräzise Sensoren, die bei tiefen Temperaturen von unter 100 mK die Energie einzelner Photonen auflösen können. Sie ermöglichen es ein breites  Energiespektrum von 1 bis 104 Elektronenvolt mit bis zu 1.56 eV (bei 3.6 keV) aufzulösen und bietet gleichzeitig eine herausragende Linearität im Messbereich.

Abbildung 1: Metallisch magnetisches
Kalorimeter
Abbildung 2: Signalverlauf des magnetischen
Flusses eines MMC

 

Ein MMC besteht aus einem Gold-Absorber, der an einen durch Erbium paramagnetischen Sensor angekoppelt ist. Durch ein äußeres Feld werden die Elementarmagneten im Sensor ausgerichtet, wodurch sich der magnetische Fluss verstärkt. Jeglicher Anstieg der Temperatur durch einen Energieeintrag in den Sensor verändert die Ausrichtung der Elementarmagnete. Dies führt zu einer Veränderung des magnetischen Flusses. Durch eine schwache Ankopplung an ein Wärmebad wird die Energie wieder abgeben - die Temperatur kehrt zur Basistemperatur zurück. Dadurch entsteht die typischen Sensorsignale, gezeigt in Abbildung 2. Die Änderung  des Magnetfelds kann durch ein SQUID-Magnetometer erfasst und in eine Spannung umgesetzt werden. Die Sensoren werden am Kirchhoff-Institut für Physik in der Universität Heidelberg entwickelt und produziert.

 

Für gewöhnlich werden die Sensoren in Arrays integriert um entweder eine räumliche Auflösung zu ermöglichen oder eine höhere Ereignisrate und somit größere Ereignisstatistik zu erreichen. Typischerweise wird die Auslese der Sensoren bei Raumtemperatur durchgeführt. Durch die große Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und der Sensortemperatur müssen die Auslesekanäle aufwendig isoliert werden um den Wärmeeintrag in den Tieftemperaturbereich zu minimieren. Daher ist oberstes Ziel die Anzahl der Sensoren pro Verbindung zu maximieren. Das so genannte Mikrowellen-Resonator-SQUID-Multiplexing ermöglicht die Sensoren über einen Frequenzmultiplex auszulesen. Dabei wird ein Frequenzkamm erzeugt, der über eine Verbindung zum Sensor geleitet wird. Jede Frequenz ordnet sich einem der Sensoren zu, dieser moduliert die Signalamplitude mit dem Temperaturverlauf (Energieeintrag). Das modulierte Signal wird dann über eine zweite Verbindung zurück zur Raumtemperaturseite gegeben (Abbildung 3).

 

Abbildung 3: Frequenzmultiplex-Schema Sensorarray

Technologie

Am Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik werden Software-Defined-Radio-Systeme entwickelt, die auf dem Frequenzbereich des Resonator-Sensor-Verbunds eine Auslese ermöglichen. Sie sollen für Sensorsysteme mit bis zu 800 Kalorimetern eingesetzt werden können.

 

Abbildung 4: Software Defined Radio Blockdiagram

 

Die Ausleseelektronik setzt sich aus drei Teilen zusammen. Die Generierung des Frequenzkamms erfolgt im ersten Teil, einem Field Programmable Gate Array (FPGA), welcher die digitalen Signale zum zweiten Teil weitergibt, der Digital-Analog- und Analog-Digital-Umsetzung der Signale vornimmt. Die analogen Signale werden im dritten Teil, einer Hochfrequenz-Elektronik, in den Mikrowellen Bereich zwischen 4 und 8 GHz konvertiert. Das Hochfrequenzsignal kann dann über einen Koaxialleiter zum Sensorverbund übertragen werden.

 

Abbildung 4: Kanaltrennung

 

Nach der Modulation durch den Sensor werden die Sensorsignale werden die Signale über einen zweiten Leiter zurück zur Elektronik geben. Dort werden sie in den beiden ersten Verarbeitungsstufen zurück konvertiert und digitalisiert. Im FPGA wird mittels digitaler Signalverarbeitung der Frequenzmultiplex in die einzelnen Sensorsignale getrennt. Nach weiteren Verarbeitungsschritten, wie der Erkennung von Sensoreregnissen, werden die Daten über eine Netzwerkverbindung an ein Computersystem gesendet.

Projekte

Die Sensorsysteme finden unter anderem im Zusammenhang mit Neutrinophysik im ECHo Projekt Anwendung. Bei diesem Projekt wird mit der Ausleseelektronik das Spektrum vom Radioaktiven Isotop Holmium-163 mit 12000 Sensoren und einer Ereignisrate von 105 Ereignissen pro Sekunde akquiriert um die Masse des Elektron-Neutrinos zu untersuchen (zum ECHo-Projekt). Weiterhin soll im Projekt MATRIX das System für die Suche nach dunkler Materie eingesetzt werden. Das Messsystem wird bei MATRIX zur Erfassung Zerfallsspektrums von Tritium eingesetzt. Durch die große Anzahl von aufgezeichneten Energien wird vermutet Signaturen von sterilen Neutrinos zu finden. Schließlich ist die Auslese in Sensorsystemen für Teleskope in QUBIC zur Aufzeichnung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung vorgesehen (zum QUBIC-Projekt).

 

Für Studierende

Wir sind ein junges, motiviertes und interdisziplinäres Team am Campus Nord, das an der Schnittstelle von Physik, Elektrotechnik und Informatik arbeitet. Unsere Gruppe entwickelt Elektronik, um supraleitende Schaltkreise im Experiment ansteuern und auslesen zu können. Hier liegt der Fokus einerseits auf supraleitenden Quantenbits, wie sie für zukünftige Quantencomputer zum Einsatz kommen könnten. Andererseits lesen wir auch große SQUID-basierte Detektor-Arrays aus.

Technisch gesehen decken wir hierbei die ganze Signalverarbeitungskette ab, von der Platinen-Entwicklung für HF und digitale Anwendungen (kicad), über FPGA-Programmierung (VHDL), Linux-Kernel-Treiber/Embedded-Software (C), High-Level-Treiber (C++), bis hin zur Experimentansteuerung und User-Treibern (Python).

Studierende sind ein integrativer Bestandteil und eine der Säulen unseres Teams. Wir bieten kontinuierlich Bachelor- und Masterarbeiten sowie Hiwi-Jobs in den unterschiedlichsten Themenfeldern an und freuen uns über tatkräftige Unterstützung. Wer technisch begeisterungsfähig ist, findet hier auf jeden Fall ein abwechslungsreiches und spannendes Forschungsfeld. Bei Interesse nach den ausgeschriebenen Arbeiten schauen oder einfach bei Oliver Sander melden.

Publikationen


2020
SDR-Based Readout Electronics for the ECHo Experiment.
Karcher, N.; Richter, D.; Ahrens, F.; Gartmann, R.; Wegner, M.; Krömer, O.; Kempf, S.; Enss, C.; Weber, M.; Sander, O.
2020. Journal of low temperature physics, 200 (5-6), 261–268. doi:10.1007/s10909-020-02463-w
2019
Software-defined Radio Readout System for the ECHo Experiment.
Sander, O.; Karcher, N.; Kromer, O.; Kempf, S.; Wegner, M.; Enss, C.; Weber, M.
2019. IEEE transactions on nuclear science, 66 (7), 1204–1209. doi:10.1109/TNS.2019.2914665
Efficient filter solutions for frequency demultiplexing of microwave-SQUID coupled metallic magnetic calorimeters.
Karcher, N.; Sander, O.; Weber, M.
2019. Physikertagung Münster 1984 : gemeinsam mit d. Frühjahrstagung Münster 1984 d. Arbeitskreises Festkörperphysik bei d. DPG (AKF 2019), Regensburg, Deutschland, 31. März–5. April 2019
2018
Microwave SQUID Multiplexing of Metallic Magnetic Calorimeters: Status of Multiplexer Performance and Room-Temperature Readout Electronics Development.
Wegner, M.; Karcher, N.; Krömer, O.; Richter, D.; Ahrens, F.; Sander, O.; Kempf, S.; Weber, M.; Enss, C.
2018. Journal of low temperature physics, 193 (3-4), 462–475. doi:10.1007/s10909-018-1878-3
2017
Software defined radio based readout of microwave SQUID multiplexed metallic magnetic calorimeter arrays.
Sander, O.; Karcher, N.; Kroemer, O.; Weber, M.; Kempf, S.; Wegner, M.; Enss, C.
2017. 2017 Topical Workshop on Electronics for Particle Physics, TWEPP 2017; Santa Cruz; United States; 11 September 2017 through 14 September 2017, Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA). doi:10.22323/1.313.0128
The electron capture in Ho experiment – ECHo.
Gastaldo, L.; Blaum, K.; Chrysalidis, K.; Day Goodacre, T.; Domula, A.; Door, M.; Dorrer, H.; Düllmann, C. E.; Eberhardt, K.; Eliseev, S.; Enss, C.; Faessler, A.; Filianin, P.; Fleischmann, A.; Fonnesu, D.; Gamer, L.; Haas, R.; Hassel, C.; Hengstler, D.; Jochum, J.; Johnston, K.; Kebschull, U.; Kempf, S.; Kieck, T.; Köster, U.; Lahiri, S.; Maiti, M.; Mantegazzini, F.; Marsh, B.; Neroutsos, P.; Novikov, Y. N.; Ranitzsch, P. C. O.; Rothe, S.; Rischka, A.; Saenz, A.; Sander, O.; Schneider, F.; Scholl, S.; Schüssler, R. X.; Schweiger, C.; Simkovic, F.; Stora, T.; Szücs, Z.; Türler, A.; Veinhard, M.; Weber, M.; Wegner, M.; Wendt, K.; Zuber, K.
2017. European physical journal special topics, 226 (8), 1623–1694. doi:10.1140/epjst/e2017-70071-y