Germanium detector studies in the framework of the GERDA experiment [Elektronische Ressource] / put forward by Dušan Budjáš

Me Nicolet

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• Physik

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 10
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 25 Mo

Extrait

Dissertation
submittedtothe
CombinedFacultiesoftheNaturalSciencesandMathematics
oftheRupertoCarolaUniversityofHeidelberg,Germany
forthedegreeof
DoctorofNaturalSciences









Putforwardby
DušanBudjáš
fromBratislava
Oralexamination:6.5.20092



Germanium detector studies
in the framework of the GERDA experiment

















Referees: Prof.Dr.WolfgangHampel
Prof.Dr.WolfgangKrätschmer
34 Germanium-Detektor-Studien im Rahmen des GERDA-Experiments
Das "GERmanium Detector Array" (GERDA) ist ein Experiment mit extrem niedrigem
Untergrund,daszurzeitam"LaboratoriNazionalidelGranSasso"aufgebautwird.GERDAwird
76nachdemneutrinolosenDoppelBetaZerfallvon Gesuchen,mitdemZieldieUntergrundeffekte
umeinenFaktor100gegenüberdenVorgängerExperimentenzuunterdrücken.DiesesBestreben
machtinnovativeDesignAnsätze,strengeAuswahlanMaterialienmitniedrigerEigenradioaktivität
undneueTechnikenzuraktivenUnterdrückungdesUntergrundesnotwendig.DaszentraleElement
76von GERDA ist ein Array mit Geangereicherte GermaniumDetektoren für ionisierende
Strahlung.GermaniumDetektorensindauchdaszentraleThemadieserDissertation.DerersteTeil
beschreibtdieImplementierung,dieTestsunddieOptimierungderMonteCarloSimulationenvon
GermaniumSpektrometern,diefürdieSelektionvonMaterialienmitniedrigerEigenradioaktivität
unabkömmlich sind. Die Simulationen sind wesentlich für die Auswertungen der Gamma
StrahlungsMessungen.DerzweiteTeilbeschäftigtsichmitderEntwicklungundderPrüfungeiner
Methode zur aktiven Unterdrückung des Untergrundes, die auf einer FormAnalyse des
GermaniumDetektorSignals besteht. Dies wurde zum ersten Mal für einen Detektor des BEGe
Typs, der eine kleine AusleseElektrode beinhaltet, verwirklicht. Als Ergebnis dieser Arbeit ist
BEGe nun als eine der beiden DetektorTechnologien in der Forschung und Entwicklung für die
zweitePhasedesGERDAExperimentsenthalten.EineUnterdrückungdesHauptuntergrundesfür
GERDA wird aufgezeigt, mit einer (0.93±0.08)prozentigen Überlebenswahrscheinlichkeit für
60 226 228 228CoEreignisse, (21±3)% für Ra und (40±2)% für Th. Die Akzeptanz von Th Doppel
EscapeEreignissen,dieanalogzuDoppelBetaZerfallsind,wurdeauf(89,2±0,9)%gehalten.
Germanium detector studies in the framework of the GERDA experiment
TheGERmaniumDetectorArray(GERDA)isanultralowbackgroundexperimentundercon
76
structionatLaboratoriNazionalidelGranSasso.GERDAwillsearchfor Geneutrinolessdouble
betadecaywithanaimfor100foldreductioninbackgroundcomparedtopredecessorexperiments.
Thisambitionnecessitatesinnovativedesignapproaches,strictselectionoflowradioactivitymate
rials,andnoveltechniquesforactivebackgroundsuppression.ThecorefeatureofGERDAisits
76
array of germanium detectors for ionizing radiation, which are enriched in Ge. Germanium
detectors are the central theme of this dissertation. The first part describes the implementation,
testing, and optimisation of Monte Carlo simulations of germanium spectrometers, intensively
involved in the selection of lowradioactivity materials. The simulationsare essential for evalua
tionsofthegammaraymeasurements.Thesecondpartconcernsthedevelopmentandvalidationof
an active background suppression technique based on germanium detector signal shape analysis.
ThiswasperformedforthefirsttimeusingaBEGetypedetector,whichfeaturesasmallreadout
electrode.Asaresultofthiswork,BEGeisnowoneofthetwodetectortechnologiesincludedin
researchanddevelopmentforthesecondphaseoftheGERDAexperiment.Asuppressionofmajor
GERDA backgrounds is demonstrated, with (0.93±0.08)% survival probability for events from
60 226 228 228
Co,(21±3)%for Ra,and(40±2)%for Th.Theacceptanceof Thdoubleescapeevents,
whichareanalogoustodoublebetadecay,waskeptat(89±1)%.
5
6 Contents
Introduction ....................................................................................................................................9
Motivation ........................................................................................................................................9
1. Physicsofneutrinos................................................................................................................10
1.1. NeutrinosandtheStandardModelofparticlephysics .................................................10
1.2. Openquestionsinthephysicsofneutrinos...................................................................11
1.3. Neutrinolessdoublebetadecay ....................................................................................12
2. Germaniumdetectors .............................................................................................................14
2.1. Fundamentalprinciplesofsemiconductordetectors.....................................................14
2.2. Radiationinteraction.....................................................................................................15
2.3. Signaldevelopmentinasemiconductordetector .........................................................17
2.4. HPGedetector...............................................................................................................18
2.5. Signalreadoutandresolution.......................................................................................19
3. TheGERDAexperiment ........................................................................................................20
3.1. DatatakingphasesofGERDA .....................................................................................22
3.2. LowbackgroundmaterialsselectionandHPGespectrometry.....................................23
3.3. Backgroundsuppressionusingpulseshapeanalysis....................................................24
I Germanium spectrometry: Monte Carlo simulations for low-level
measurement evaluation ......................................................................................................27
4. LowlevelgammarayspectrometryatMPIK........................................................................27
5. Evaluationofmaterialscreeningmeasurements ....................................................................27
6. MonteCarlocode ...................................................................................................................29
7. MonteCarlosimulationsofmaterialscreeningdetectors......................................................30
8. MonteCarlosimulationvalidationwithmeasurements.........................................................33
8.1. EnvironmentalRadioactivityComparisonExercise2005............................................33
8.1.1.ComparisonofGERDAlaboratories ..................................................................33
8.1.2.Results.................................................................................................................34
8.1.3.Additionalinvestigation......................................................................................35
8.1.4.Discussion...........................................................................................................36
8.2. EnvironmentalRadioactivityProficiencyTestExercise2007 .....................................36
8.3. AssessmentofBrunoandDariosoftwaremodels ........................................................38
9. OptimisationofthesoftwaremodelofCorradospectrometer ...............................................41
9.1. Experimentalmeasurements .........................................................................................42
9.2. Deadlayerthicknessdetermination ..............................................................................42
9.3. Detectoractivevolumedetermination ..........................................................................43
9.4. Resultsanddiscussion ..................................................................................................45
10. ApplicationoftheMonteCarloefficiencydeterminationtomaterialscreening
measurementsevaluation ...............................................................................................................45
7II Germanium detector signal analysis: BEGe detector study................................... 49
11. Detectorsetup ........................................................................................................................ 50
11.1.DetectorreadoutandDAQsystem.............................................................................. 51
11.2.Detectorcharacterisationandtesting............................................................................ 54
11.2.1.DAQsystemstability ....................................................................................... 54
11.2.2.Chargecollectionstudy .................................................................................... 56
12. Pulseshapeanalysis............................................................................................................... 60
13. Experimentalpulseshapediscrimination .............................................................................. 64
13.1.Pulseshapediscriminationmethod .............................................................................. 65
13.2.Cutfunctionuncertaintiesandfluctuation ......................