KIP-Veröffentlichungen

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung kryogener metallischer magnetischer Kalorimeter besprochen, die eine implantierte Ho-163-Quelle aufweisen und mit deren Hilfe - im Rahmen des ECHo-Experiments (Electron Capture in Ho-163) zur Bestimmung der effektiven Elektron-Neutrinomasse - das Ho-163-Elektroneneinfangspektrum untersucht werden soll. Der Detektorprototyp, der für die erste experimentelle Phase ECHo-1k produziert wurde, wurde vollständig charakterisiert in Bezug auf thermodynamische Eigenschaften, Detektorantwort, Energieauflösung und Ho-163-Aktivität pro Detektorpixel. Die spezifische Wärme pro Holmiumion in Silber wurde durch den Vergleich der Detektorantwort von Detektorpixeln mit und ohne implantiertes Ho-163 bestimmt. Diese hochpräzise Messung deutet auf eine gegenüber dem Literaturwert reduzierte Halbwertszeit von Ho-163 hin. Zwei implantierte ECHo-1k- Detektorchips wurden zeitgleich in einem Verdünnungskryostaten, der mit einer 64- kanaligen Auslesekette ausgestattet ist, eingesetzt. Eine umfangreiche Messung mit mehr als 108 Ho-163-Elektroneneinfangereignissen wurde durchgeführt; die Analyse des resultierenden Spektrums wird eine Sensitivität gegenüber der effektiven Eletron- Neutrinomasse von unter 20 eV aufweisen. Basierend auf den Ergebnissen der experimentellen Phase ECHo-1k wurde ein neues Detektordesign entworfen um die Anforderungen der nächsten experimentellen Phase ECHo-100k zu erreichen. Der neue ECHo-100k-Detektor wurde hergestellt und vollständig charakterisiert; er weist eine verbesserte Detektorantwort und eine exzellente Energieauflösung von bis zu 3 eV FWHM auf, was dem Designwert entspricht. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit stellen den Anfang des ECHo-100k-Experiments dar.

This work is focused on the development of cryogenic metallic magnetic calorimeter detectors with implanted Ho-163 source for the ECHo (Electron Capture in Ho-163) experiment for the determination of the effective electron neutrino mass by studying the Ho-163 electron capture spectrum. The detector prototype fabricated for the first experimental phase, ECHo-1k, has been fully characterised, in terms of thermodynamic properties, detector response, energy resolution and Ho-163 activity per detector pixel. The specific heat per holmium ion in silver has been determined, comparing the response of detector pixels with and without implanted Ho-163. This accurate measurement indicates a lower value of the Ho-163 half-life with respect to the value reported in literature. Two implanted ECHo-1k detector chips have been operated in parallel in a dilution refrigerator which has been equipped with a 64- channel read-out chain. A high-statistics measurement with more than 108 Ho-163 electron capture events has been performed and the analysis of the resulting spectrum will allow to reach a sensitivity below 20 eV on the effective electron neutrino mass. Based on the outcomes of the ECHo-1k experimental phase, a novel detector design has been conceived in order to achieve the detector performance required for the succeeding experimental phase, ECHo-100k. The new ECHo-100k detector has been successfully fabricated and fully characterised, showing an improved detector response and an excellent energy resolution that reaches 3 eV FWHM, matching the designed value. The results obtained in this thesis set the starting point of the ECHo-100k experiment.