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Performance and stability tests of bare high purity germanium detectors in liquid argon for the GERDA experiment [Elektronische Ressource] / presented by Marik Barnabé Heider

161 pages
Dissertation in Physicssubmitted to theCombined Faculties of the Natural Sciences and Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany.for the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byM. Sc. Physics. Marik Barnabe Heiderborn in Laval, CanadaOral examination: 27.05.2009, 14:00 pmPerformance and stability testsof bare high purity germaniumdetectors in liquid argonfor the GERDA experimentReferees: Prof. Dr. Wolfgang HampelProf. Dr. Karl-Tasso Kn op eAbstract76GERDA will search for neutrinoless double beta decay of Ge by using a novel approachof bare germanium detectors in liquid argon (LAr). Enriched germanium detectors fromthe previous Heidelberg-Moscow and IGEX experiments have been reprocessed and will bedeployed in GERDA Phase-I. At the center of this thesis project is the study of the perfor-mance of bare germanium detectors in cryogenic liquids. Identical detector performanceas in vacuum cryostats (2.2 keV FWHM at 1.3 MeV) was achieved in cryogenic liquidswith a new low-mass detector assembly and contacts. One major result is the discoveryof a radiation induced leakage current (LC) increase when operating bare detectors withstandard passivation layers in LAr. Charge collection and build-up on the passivation layerwere identi ed as the origin of the LC increase. It was found that diodes without passiva-tion do not exhibit this feature.
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Dissertation in Physics
submitted to the
Combined Faculties of the Natural Sciences and Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany.
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
M. Sc. Physics. Marik Barnabe Heider
born in Laval, Canada
Oral examination: 27.05.2009, 14:00 pmPerformance and stability tests
of bare high purity germanium
detectors in liquid argon
for the GERDA experiment
Referees: Prof. Dr. Wolfgang Hampel
Prof. Dr. Karl-Tasso Kn op eAbstract
76GERDA will search for neutrinoless double beta decay of Ge by using a novel approach
of bare germanium detectors in liquid argon (LAr). Enriched germanium detectors from
the previous Heidelberg-Moscow and IGEX experiments have been reprocessed and will be
deployed in GERDA Phase-I. At the center of this thesis project is the study of the perfor-
mance of bare germanium detectors in cryogenic liquids. Identical detector performance
as in vacuum cryostats (2.2 keV FWHM at 1.3 MeV) was achieved in cryogenic liquids
with a new low-mass detector assembly and contacts. One major result is the discovery
of a radiation induced leakage current (LC) increase when operating bare detectors with
standard passivation layers in LAr. Charge collection and build-up on the passivation layer
were identi ed as the origin of the LC increase. It was found that diodes without passiva-
tion do not exhibit this feature. Three month-long stable operation in LAr at 5 pA LC
under periodic gamma irradiation demonstrated the suitability of the modi ed detector
design. Based on these results, all Phase-I detectors were reprocessed without passivation
layer and subsequently successfully characterized in LAr in the GERDA underground De-
tector Laboratory. The mass loss during the reprocessing was 300 g out of 17.9 kg and
the exposure above ground 5 days. This results in a negligible cosmogenic background
4 76 60 68increase of 5 10 cts/(keVkgy) at Ge Q for Co and Ge.
Zusammenfassung
76Das GERDA Experiment wird nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall von Ge suchen.
Dazu wird der neue Ansatz verfolgt, nackte Germaniumdetektoren in ussigem Argon
(LAr) zu betreiben. Angereicherte Germaniumdetektoren aus den vorangegangenen Heidel-
berg-Moskau und IGEX Experimenten wurden ub erarbeitet und werden in GERDA Phase-I
eingesetzt. Im Mittelpunkt dieser Dissertation steht die Untersuchung der Leistungsf ahig-
keit nackter Germaniumdetektoren in tiefkalten Flussigk eiten. Mit einer neuen nieder-
massigen Detektorhalterung und Kontaktierung wurde in tiefkalter Flussigk eit die gleiche
Detektorleistung wie in Vakuum-Kryostaten (2.2 keV FWHM bei 1.3 MeV) erzielt. Eine
wichtige Entdeckung ist der Anstieg von strahlungsinduziertem Leckstrom (LC) bei dem
Betrieb der Detektoren mit ublic hen Passivierungsschichten (PS) in LAr. Als Ursache des
Leckstromanstiegs wurden Ladungssammlung und -anh aufung auf der PS ausgemacht. Es
wurde gezeigt, dass Dioden ohne PS dieses Merkmal nicht aufweisen. Ein dreimonatiger
stabiler Betrieb in LAr bei 5 pA LC unter regelm assiger Gammabestrahlung zeigte
die Eignung des modi zierten Detektoraufbaus. Basierend auf diesen Ergebnissen wur-
den alle Phase-I Detektoren ohne PS ub erarbeitet und anschliessend erfolgreich in LAr im
GERDA Detektorlabor charakterisiert. Der Masseverlust w ahrend der Uberarbeitung be-
trug 300 g von 17.9 kg bei einer oberirdischen Strahlenbelastung von 5 Tagen. Damit
4ergibt sich eine vernachl assigbare Zunahme des kosmogenen Untergrunds von 5 10
76 60 68cts/(keVkgy) bei Ge Q fur Co und Ge.

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