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Development and characterization of metallic magnetic calorimeters for the calorimetric measurement of the electron capture spectrum of 163Ho for the purpose of neutrino mass determination

Ranitzsch, Philipp Chung-On

German Title: Entwicklung und Charakterisierung von metallisch magnetischen Kalorimetern zur kalorimetrischen Messung des Spektrums des Elektroneneinfangprozesses von 163Ho zum Zweck der Neutrinomassenbestimmung

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Abstract

The electron capture process of 163Ho offers a unique tool for the determination of the neutrino mass due to its low end-point energy Q_EC. In this work a metallic magnetic calorimeter with an embedded 163Ho source was characterized and used to measure the calorimetric spectrum of the 163Ho decay. The characterization revealed that neither the thermodynamic properties nor the detector performance were impaired by the presence or the ion-implantation process of the 163Ho source. Furthermore an energy resolution of Delta E_FWHM = 7.3 eV and rise times as low as tau_0 = 80 ns were measured. The discussed detector achieved the presently best energy resolution for the measurement of the 163Ho electron capture spectrum. For the first time the de-excitation of an electron capture from the 163Ho O1-level at E_O1 = 48eV has been observed. The parameters describing the spectrum could be extracted from the measured spectra. One of the most important parameters, namely the end-point energy has been determined to Q_EC = (2.877 ± 0.022 (stat.) +0 - 0.06 (syst.)) keV. This implies that the achieved detector performance is suited for a neutrino mass experiment based on 163Ho.

Translation of abstract (German)

Der Elektroneneinfangprozess von 163Ho bietet eine einzigartige Möglichkeit zur Bestimmung der Neutrinomasse wegen seiner geringen Endpunktsenergie Q_EC. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein metallisch magnetisches Kalorimeter mit einer eingeschlossenen 163Ho Quelle charakterisiert und benutzt um das kalorimetrische Spektrum des 163Ho Zerfalls zu vermessen. Die Charakterisierung ergab, dass weder die thermodynamischen Eigenschaften, noch die Detektorleistung von der Präsenz oder dem Ionenimplantationsprozess der 163Ho Quelle negativ beeinflusst wurden. Eine Energieauflösung von Delta E = 7.3eV und Anstiegszeiten von tau 0 = 80 ns konnten erreicht werden. Der benutzte Detektor hat die zur Zeit beste Energieauflösung bei der Messung des Eletroneneinfangprozesses von 163Ho gezeigt. Zum ersten Mal wurde die Abregung eines Elektroneneinfangprozesses von der 163Ho O1-Schale bei einer Energie von E_O1 = 48eV beobachtet. Die Parameter zur Beschreibung des Spektrums konnten aus den gemessenen Spektren gewonnen werden. Einer der wichtigsten Parameter, nämlich die Endpunktsenergie wurde mit dem Wert Q_EC = (2.877 ± 0.022 (stat.) +0 -0.06 (syst.)) keV gemessen. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Detektorleistung den Anforderungen eines Neutrinomassenexperiments basierend auf 163Ho entspricht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Enss, Prof. Dr. Christian
Date of thesis defense: 22 July 2014
Date Deposited: 26 Sep 2014 10:59
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Elektronneutrino, Elektroneneinfang, Holmium-163, Tieftemperaturkalorimeter
Uncontrolled Keywords: neutrino mass measurement, ECHo-Experiment, metallic magnetic calorimeter

Available Versions of this Item

  • Development and characterization of metallic magnetic calorimeters for the calorimetric measurement of the electron capture spectrum of 163Ho for the purpose of neutrino mass determination. (deposited 26 Sep 2014 10:59) [Currently Displayed]
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