Alpha-event characterization for germanium detectors

Garbini, Lucia (2016): Alpha-event characterization for germanium detectors. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

A detailed study of alpha interactions on the passivated surface of a germanium detector is presented. Germanium detectors can be used to search for both neutrinoless double beta decay of 76Ge and direct interaction of dark matter. In order to increase the sensitivity to both neutrinoless double beta decay and dark matter beyond the current state of the art, the next generation of germanium-based experiments has to have a mass of about one ton and has to reduce the background by a factor of ten. The choices of detector technology facilitating both searches and the background reduction are one of the biggest challenges for such an experiment. Surface contaminations on the material close to the detectors or on the detectors themselves, can generate a background due to alpha particles, which was found to be limiting in some experiments. The characterization of events induced by alpha particles will help to identify such events and thus eliminate them as sources of background. An especially designed segmented true-coaxial detector was probed with alpha particles from an 241Am source inside the test-stand GALATEA, located at the MPI f¨ur Physik in Munich. Pulse shape analysis was performed to identify the characteristics of alpha events. The properties of the detector directly underneath the passivation layer on the end-plate were also studied. As part of the detector characterization, the thickness of the effective dead layer was determined. The studies presented here suggest improvements on detector design, which would allow an effective reduction of alpha background in next generation of germanium-based experiments.

Abstract

Eine detaillierte Studie alpha-induzierter Ereignisse auf der passivierten Oberfläche eines Germaniumdetektors wird präsentiert. Germanium Detektoren werden sowohl bei der Suche nach neutrinolosem Doppelbetazerfall von 76Ge als auch bei der Suche nach Dunkler Materie eingesetzt. Um die Sensitivität über das in den heutigen Experimenten erreichte hinaus zu verbessern, ist es nötig die aktive Masse der Experimente um eine Größenordnung auf eine Tonne zu steigern und gleichzeitig den Untergrund um eine Größenordnung zu reduzieren. Die Auswahl der Detektoroptionen, um beide Suchen zu ermöglichen und den Untergrund zu reduzieren, ist eine der großen Herausforderungen für solch ein Experiment. Oberflächenkontaminationen auf Materialien in der nahe Umgebung der Detektoren oder auf den Detektoren selber führen oft zu Untergründen, die in einigen Fällen die Sensitivität von Experimenten begrenzt haben. Die Charakterisierung von alpha-induzierten Ereignissen birgt die Möglichkeit, sie im Experiment als solche zu erkennen und sie auf diese Weise als Untergrund zu eliminieren. Ein speziell für solche Studien konzipierter segmentierter vollständig koaxialer Detektor wurde im GALATEA Teststand des MPI für Physik in München mit Hilfe einer 241Am Quelle untersucht. Zur Charakterisierung der alpha-induzierten Ereignisse wurden Pulsformanalysen durchgeführt. Die Eigenschaften des Detektors im Volumen direkt unter der passivierten Endplatte wurden ebenfalls untersucht. Ein Teil dieser Untersuchung war die Bestimmung der effektiven Totzone des Detektors. Die hier vorgelegten Studien suggerieren, dass gewisse Veränderungen im Detektordesign zur Verbesserung der Identifikation von alpha-induzierten Ereignissen in germaniumbasierten Experimenten führen würden.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 2. Mai 2016
• 1. Bericht­erstatter:in: Schieck, Jochen