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LArGe [Elektronische Ressource] : a liquid argon scintillation veto for GERDA / put forward by Mark Heisel

De
127 pages
Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byDiplom-Physiker: Mark HeiselBorn in: HamburgOral examination: April 13, 2011LArGe—A liquid argon scintillation vetofor GerdaReferees: Prof. Dr. Wolfgang HampelProf. Dr. Wolfgang Kr¨atschmerZusammenfassungLArGeEin Flu¨ssigargon-Szintillationsvetofu¨r GerdaLArGe ist ein Gerda low-background Teststand zur Entwicklung neuartiger Methodender Untergrundunterdru¨ckung fu¨r einen mo¨glichen Einsatz in Gerda. Gerda sucht nach76dem neutrinolosen Doppelbetazerfall in Ge, und verwendet dazu nackte Germaniumde-3tektoren in 65m flu¨ssigemArgon. Aufvergleichbare Weise betreibtLArGeGe-Detektoren3in 1m (1.4 Tonnen) flu¨ssigem Argon, welches zusa¨tzlich mit Photomultipliern zum Nach-weisvonSzintillationslicht instrumentiertist. DasLichtwirdinAntikoinzidenzmitdenGe-Detektorendazuverwendet,jeneUntergrundereignisseeffektivzuunterdru¨cken,dieEnergieim flu¨ssigen Argon deponieren. Die Arbeit behandelt die Entwicklung, den Aufbau undden Testbetrieb von LArGe. Die Effizienz der Untergrundunterdru¨ckung wurde zusammenmit einer Pulsformdiskriminationstechnik (PSD) fu¨r verschiedene Quellen untersucht, diecharakteristische Untergrundbeitra¨ge von Gerda repr¨asentieren. Unterdru¨ckungsfaktoren3von einigen 10 wurden erreicht.
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Diplom-Physiker: Mark Heisel
Born in: Hamburg
Oral examination: April 13, 2011LArGe

A liquid argon scintillation veto
for Gerda
Referees: Prof. Dr. Wolfgang Hampel
Prof. Dr. Wolfgang Kr¨atschmerZusammenfassung
LArGe
Ein Flu¨ssigargon-Szintillationsveto
fu¨r Gerda
LArGe ist ein Gerda low-background Teststand zur Entwicklung neuartiger Methoden
der Untergrundunterdru¨ckung fu¨r einen mo¨glichen Einsatz in Gerda. Gerda sucht nach
76dem neutrinolosen Doppelbetazerfall in Ge, und verwendet dazu nackte Germaniumde-
3tektoren in 65m flu¨ssigemArgon. Aufvergleichbare Weise betreibtLArGeGe-Detektoren
3in 1m (1.4 Tonnen) flu¨ssigem Argon, welches zusa¨tzlich mit Photomultipliern zum Nach-
weisvonSzintillationslicht instrumentiertist. DasLichtwirdinAntikoinzidenzmitdenGe-
Detektorendazuverwendet,jeneUntergrundereignisseeffektivzuunterdru¨cken,dieEnergie
im flu¨ssigen Argon deponieren. Die Arbeit behandelt die Entwicklung, den Aufbau und
den Testbetrieb von LArGe. Die Effizienz der Untergrundunterdru¨ckung wurde zusammen
mit einer Pulsformdiskriminationstechnik (PSD) fu¨r verschiedene Quellen untersucht, die
charakteristische Untergrundbeitra¨ge von Gerda repr¨asentieren. Unterdru¨ckungsfaktoren
3von einigen 10 wurden erreicht. Erste Daten einer Untergrundmessung in LArGe (ohne
−2PSD)ergaben einen Untergrundindexvon (0.12-4.6)·10 cts/(keV·kg·y) (90% c.l.), was im
Bereich der Designvorgabe von Gerda Phase I liegt. Weiterhin wurde zum ersten Mal die
42natu¨rliche ArKonzentration gemessen (parallel zuGerda), undes gibt Hinweise aufden
2νββ-Zerfall in natu¨rlichem Germanium.
Abstract
LArGe
A liquid argon scintillation veto
for Gerda
LArGe is a Gerda low-background test facility to study novel background suppression
methods in a low-background environment, for possible applications in the Gerda ex-
76periment. Gerda searches for the neutrinoless double-beta decay in Ge, by operating
3naked germanium detectors submersed into 65 m of liquid argon. Similarly, LArGe runs
3Ge-detectors in 1 m (1.4 tons) of liquid argon, which in addition is instrumented with
photomultipliers to detect argon scintillation light. The light is used in anti-coincidence
withthegermaniumdetectors,toeffectivelysuppressbackgroundeventsthatdepositenergy
in the liquid argon. This work adresses the design, construction, and commissioning of
LArGe. The background suppression efficiency has been studied in combination with a
pulse shape discrimination (PSD) technique for various sources, which represent charac-
3teristic backgrounds toGerda. Suppression factors of a few times 10 have been achieved.
−2FirstbackgrounddataofLArGe(withoutPSD)yieldabackgroundindexof(0.12-4.6)·10
cts/(keV·kg·y) (90% c.l.), which is at the level of the Gerda phase I design goal. Further-
42more, for the first time we measure the natural Ar abundance (in parallel to Gerda),
and have indication for the 2νββ-decay in natural germanium.in Erinnerung
an meinen lieben Vater

Ju¨rgen HeiselContents
1 Introduction 5
1.1 Neutrino physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Neutrino oscillation and masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Neutrinoless double beta decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Gerda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Detection principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Setup description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Physics reach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Introduction to the LArGe project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Liquid argon as anti-coincidence veto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2 Preceeding work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.3 Objectives of LArGe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 The experimental setup 13
2.1 Setup description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2 Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.3 Cryostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.4 Photomultiplier support structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.5 Lock system & detector deployment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Wavelength shifter application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 WLS solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2 Mirror foil coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.3 Mirror foil installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.4 PMT coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Cryogenic infrastructure & operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
12 CONTENTS
2.3.1 Active cooling system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 Flushing & Filling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4 Photomultiplier tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 Photomultiplier basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2 Photomultipliers in LArGe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.3 Design of voltage divider & cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.4 Spark discharges on voltage dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.5 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5 Germanium detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.1 BEGe detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.2 GTF44 detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6 Front-end electronics and DAQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6.1 Simultaneous readout of Ge-detector and PMTs . . . . . . . . . . . 38
2.6.2 Separated PMT readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Liquid argon purity & scintillation light detection 41
3.1 Argon scintillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.1 Excimer formation and light emission . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.2 Triplet state lifetime as an indicator for impurities . . . . . . . . . . 42
3.2 Overview on argon contamination issue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1 Commissioning phase & search for impurities . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 Triplet lifetime longterm stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Photo-electron yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Background suppression measurements 49
4.1 The LAr scintillation veto cut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1 PMT pulse processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.2 Characteristic quantities of the veto efficiency . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.3 Determination of veto cut parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 Pulse shape processing of BEGe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.1 Energy reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.2 Pulse shape discrimination method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3 Spectroscopic performance of BEGe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4 Suppression efficiency for different gamma sources . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.1 Properties of the sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.4.2 Overview on measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1374.4.3 Cs external source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
604.4.4 Co external & internal source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2264.4.5 Ra external & internal source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2284.4.6 Th external & internal source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5 Discussion of results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5.1 Orthogonality of LAr veto & PSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5.2 Acceptance for 0νββ-events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.5.3 Comparison to Monte Carlo predictions . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5 First background measurements 85
5.1 BEGe detector without source. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 Background with GTF44 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
425.2.1 Ar abundance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.2.2 Background index at Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91ββ
5.2.3 2νββ spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6 Conclusions & Outlook 93
A Photographs of the LArGe assembly 95
238B The U decay chain 103
228C The Th decay chain 108
Bibliography 115
Acknowledgements 121

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