Published October 25, 1999 | Version v1
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Bolometers equipped with thin film Anderson insulator sensors: their resolution for nuclear recoil events

Description

Bolometers are very low temperature detectors which measure a deposited energy by the resulting thermal effects. All the excitations in its absorber finally convert to heat (phonons), so that bolometers are universal detectors capable of measuring radiation's energy, even if it has no ionizing component. The ultimate resolution of a bolometer, from the thermodynamical point of view, is a decreasing function of the operating temperature. However, in the case of nuclear recoil events in a solid absorber, trapping effects degrade the resolution. These phenomena are studied here in order to find the resolution limit in ion beam analysis and in direct searches for WIMPs (the hypothetical candidates for non baryonic Dark Matter). Bolometers of different masses and geometries, all equipped with NbxSi1-x thin film sensors, were made and characterized. The properties of these films as an Anderson insulator, and their sensitivities to the non-equilibrium phonons are studied. Furthermore, the experimental resolution in the thermal and athermal regimes were compared. The best resolution obtained is 0.34% (18 keV on 5.5 MeV alpha particles). This result is above the theoretical resolution estimated in this work, so that these bolometers could achieve further progresses. (author)

Abstract (French)

Les bolometres sont des detecteurs fonctionnant a tres basse temperature et mesurant l'energie deposee par les effets thermiques induits. Toutes les excitations dans un solide finissant sous forme de chaleur (phonons), les bolometres sont des detecteurs universels capables de mesurer l'energie de rayonnements ionisants ou non. La resolution ultime d'un bolometre, du point de vue de la thermodynamique, decroit sans limites avec la temperature, cependant, dans le cas d'evenements impliquant des reculs de noyaux dans un absorbeur solide, des mecanismes de piegeage de l'energie peuvent limiter la resolution a des valeurs bien plus elevees. Nous avons analyse ces phenomenes dans la perspective d'apprehender la limite en resolution pour la detection d'ions eventuellement sur faisceau et dans la recherche de WIMPs, hypothetiques composants de la Matiere Noire non baryonique. Nous avons elabore et caracterise des bolometres de masses et de geometries diverses, tous equipes de senseurs thermometriques en couches minces de NbxSi1-x. Les proprietes de ces couches en tant qu'isolant d'Anderson, ainsi que leur sensibilite aux phonons hors d'equilibre ont ete etudiees. Nous avons ainsi compare et interprete les resolutions experimentales obtenues en regime thermique et athermique. La meilleure resolution que nous avons obtenue est de 0.34%, soit 18 keV sur des particules alpha de 5.5 MeV. Ce resultat est au-dessus de nos estimations theoriques, nos bolometres ont donc une importante marge de progression possible

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Original title (French)
Resolution dans des bolometres equipes de couches minces d'isolant d'Anderson pour des evenements impliquant des reculs de noyaux

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Imprint Pagination
194 p.
Report number
FRCEA-TH--5555

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Notes
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