Microwave SQUID Multiplexing and Cryogenics

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Walter Dietrich Enss
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254114301

Die Untersuchung der Masse des Elektron-Neutrinos durch kalorimetrische Messung des Elektron-Einfang-Spektrums von 163Ho erfordert den Betrieb von großen, auf metallischen magnetischen Kalorimetern basierenden Detektorarrays. Um die Auslesung dieser Arrays zu ermöglichen haben wir im Rahmen der ersten Förderphase ein skalierbares, SQUID basiertes Multiplexverfahren entwickelt, mit dessen Hilfe zeitgleich einige hundert Detektoren mit Hilfe zweier Koaxialkabel und eines HEMT-Verstärkers ausgelesen werden können. Das aktuelle Projekt verfolgt nun das Ziel, mit Hilfe des entwickelten Multiplexverfahrens das Auslesungssystem für ECHo-100k aufzubauen. Hierbei sollen simultan etwa 6000 unabhängige Detektoren betrieben werden, um die Masse des Elektron-Neutrinos auf einem Niveau von 2 eV/c2 untersuchen zu können. Die Entwicklung, die Realisierung und der Betrieb dieses Auslesungssystems erfordert unter anderem das Design, die Herstellung und den Test der Multiplexer sowie die Integration der Multiplexer in den eigentlichen Detektoraufbau, der gemeinsam mit WG2 und WG4 entwickelt wird. Außerdem müssen im Kryostaten die entsprechenden Mikrowellenkanäle, die unter anderem aus den supraleitenden Koaxialkabeln, dem HEMT-Verstärker und dem kryogene Zirkulator bestehen, in den Kryostaten eingebaut und in Betrieb genommen werden. Ein weiterer, wichtiger Schritt ist die Verknüpfung jedes kryogenen Mikrowellenkanals mit einer "Software Defined Radio"-basierten Raumtemperaturelektronik, die die Steuerung und Auslesung der Multiplexer übernimmt. Darüber hinaus soll im Rahmen des Projekts der Weg für ein zukünftiges, noch größeres 163Ho basiertes Experiment zur direkten Messung der Elektron-Neutrinomasse vorbereitet werden. Hierzu wollen wir u.a. die Anwendbarkeit von hybriden Multiplexverfahren untersuchen, das Rauschen der Detektionselektronik weiter senken sowie neue supraleitende Komponenten der Ausleseelektronik entwickeln, damit die Kosteneffizienz deutlich zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2202: Neutrino Mass Determination by Electron Capture in Holmium-163 (ECHo)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Sebastian Kempf