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Irlbeck, Sabine (2014): The GALATEA test facility and a first study of alpha-induced surface events in a Germanium detector. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Germanium detectors are a choice technology in fundamental research. They are suitable for the search for rare events due to their high sensitivity and excellent energy resolution. As an example, the GERDA (GERmanium Detector Array) experiment searching for neutrinoless double beta decay is described. The observation of this decay would resolve the fundamental question whether the neutrino is its own antiparticle. Especially adapted detector technologies and low background rates needed to detect very rare events such as neutrinoless double beta decays are discussed. The identification of backgrounds originating from the interaction of radiation, especially alpha-particles, is a focus of this thesis. Low background experiments face problems from alpha-particles due to unavoidable surface contaminations of the germanium detectors. The segmentation of detectors is used to obtain information about the special characteristics of selected events. The high precision test stand GALATEA was especially designed for surface scans of germanium detectors. As part of this work, GALATEA was completed and commissioned. The final commissioning required major upgrades of the original design which are described in detail. Collimator studies with two commercial germanium detectors are presented. Different collimation levels for a beta-source were investigated and crystal axis effects were examined. The first scan with an alpha-source of the passivated end-plate of a special 19-fold segmented prototype detector mounted in GALATEA is described. The alpha-induced surface events were studied and characterized. Crosstalk and mirror pulses seen in the segments of the germanium detector were analyzed. The detector studies presented in this thesis will help to further improve the design of germanium detectors for low background experiments.

Abstract

Germaniumdetektoren eignen sich für die Suche nach sehr seltenen Ereignissen, da sie aufgrund ihrer hohen Sensitivität und hervorragenden Energieauflösung geringe Mengen von Radioaktivität nachweisen können. Germaniumdetektoren finden daher zum Beispiel Anwendung beim GERDA (GERmanium Detector Array) Experiment, welches sich mit der Suche nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall beschäftigt. Die Beobachtung dieses Zerfalls würde die fundamentale Frage beantworten, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Die experimentelle Voraussetzung zum Nachweis von sehr seltenen Ereignissen wie dem neutrinolosen doppelten Betazerfall sind niedrige Untergrundraten und speziell angepasste Detektortechnologien. Das GERDA Experiment sowie Methoden zur Untergrundminimierung werden vorgestellt. Unvermeidbare Oberflächenkontaminationen von Germaniumdetektoren erzeugen einen zusätzlichen intrinsischen Untergrund. Im Besonderen werden Oberflächenereignisse, die durch die Wechselwirkung von alpha-Teilchen, entstehen im Rahmen dieser Arbeit diskutiert. Eine spezielle Segmentierung der Detektoren liefert zusätzliche Informationen zur Unterscheidung von Signal und Untergrundereignissen. Ein eigens zur Untersuchung von Oberflächenereignissen entwickelter Hochpräzisionsteststand, GALATEA, wurde im Rahmen dieser Arbeit vollständig in Betrieb genommen. Die Inbetriebnahme der Apparatur erforderte umfangreiche Umbaumaßnahmen und die Implementierung zusätzlicher Komponenten. In der Vorbereitung wurden auch Kollimatorstudien an zwei kommerziellen Germaniumdetektoren durchgeführt. Das Kollimationsverhalten sowie Kristallachseneffekte wurden untersucht. Die Oberfläche eines speziell 19-fach segmentierten Prototyp-Detektors wurde erstmalig in GALATEA mit einer alpha-Quelle abgetastet. Oberflächennahe Ereignisse wurden untersucht und charakterisiert. Die hier vorgestellten Detektorstudien dienen der Untersuchung und Charakterisierung von Germaniumdetektoren. Die daraus gewonnenen Resultate können nützlich für die Identifizierung von Untergrundereignissen im GERDA Experiment sein oder generell Anwendung in Experimenten finden, die Germaniumdetektoren verwenden.