MENU

Das CRESST Detektormodul

Beim CRESST Experiment wird szintillierendes Kalziumwolframat (CaWO4) für die direkte Suche nach Dunkler Materie verwendet. Wenn ein Teilchen den CaWO4-Krsitall trifft und dort Energie deponiert, wird sowohl die Temperatur des Kristalls leicht erhöht als auch Szintillationslicht erzeugt. Das Verhältnis zwischen Szintillationslicht und Temperaturerhöhung hängt dabei von der Teilchensorte ab. Dieses Verhalten kann dazu verwendet werden um zwischen verschiedenen Teilchensorten zu unterscheiden und damit Untergrundereignisse zu unterdrücken.

Der größte Teil der Untergrundereignisse (Beta- und Gamastrahlung; kosmische Myonen) wechselwirken hauptsächlich mit dem Elektronensystem des Detektormaterials. Im Gegensatz dazu streuen WIMPs bevorzugt an den Atomkernen. Da bei einer Wechselwirkung mit dem Elektronensystem für den selben Energieeintrag etwa 10-40 mal mehr Szintillationslicht erzeugt wird als bei einer Wechselwirkung mit Atomkernen, lässt sich der Großteil der Undergrundereignisse durch die gleichzeitige Messung von Temperaturerhöhung und Szintillationslicht unterdrücken.

Für die gleichzeitige Messung von Temperaturerhöhung und Szintillationslicht besteht ein CRESST Detektormodul aus zwei Tieftemperaturdetektoren, die sich in einem reflektierendem und szintillierendem Gehäuse befinden. Einer der beiden Tieftemperaturdetektoren, der Phonondetektor, basiert auf einem CaWO4-Kristall mit einer Masse von etwa 300 g. Mit diesem Phonondetektor wird die Temperaturerhöhung gemessen, die durch den Energieeintrag eines Teilchens hervorgerufen wird.

Der andere Detektor, der Lichtdetektor, basiert auf einem dünnen Siliziumkristall oder einem mit Silizium beschichtetem dünnen Saphirkristall und wird verwendet um das Szintillationslicht zu messen, dass der CaWO4-Kristall des Phonondetektors eimitiert hat. Der Lichtdetektor ist ebenfalls ein Tieftemperaturdetektor und misst daher die Temperaturerhöhung des Siliziums, die durch das absorbierte Szintillationslicht herforgerufen wird. Im Gegensatz zum Phonondetektor hat der Absorberkristall des Lichtdetektors nur eine Masse von etwa 1 g.

Beide Detektoren befinden sich gemeinsam in einem reflektierendem Gehäuse, um den Anteil des Szintillationslichts zu erhöhen, das im Lichtdetektor absorbiert wird. Das Gehäuse ist auch szintillierend um seltene radioaktive Zerfälle zu identifiziren.

Sowohl der Phonondetektor als auch der Lichtdetektor eines CRESST Detektormoduls sind Tieftemperaturdetektoren. Ein Tieftemperaturdetektor besteht aus einem Absorberkristall (CaWO4 beim Phonondetektor, bzw. Si beim Lichtdetektor) und einem sensitiven Thermometer um die Temperaturerhöhung zu messen, die von einer Energiedeposition hervorgerufen wird. Bei den CRESST Detektoren werden supraleitende Phasenübergangsthermometer (Transition Edge Sensor, TES) als Thermometer verwendet. Phasenübergangsthermometer sind supraleitende dünne Metallfilme (z.B. Wolfram), die auf den Absorberkristall gedampft werden.

Wenn ein Teilchen mit dem Absorberkristall wechselwirkt und damit in diesem Energie deponiert, wird diese Energie in Phononen (Wärme) umgewandelt. Diese Phononen breiten sich in kurzer Zeit im ganzen Kristall aus. Wenn die Phononen das Phasenübergangsthermometer erreichen erhöhen sie dessen Temperatur. Das Phasenübergangsthermometer wird im steilen Phasenübergang zwischen Supraleitung und Normalleitung betrieben. Deshalb führt eine kleine Temperaturerhöhung des Metallfilms zu einer großen Änderung des elektrischen Widerstands des Films. Diese Widerstandsänderung wird nun mit einem SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) in ein Spannungssignal umgewandelt und dann von der Datenaufnahmeelektronik ausgelesen, digitalisiert und gespeichert.