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Study on modified point contact germanium detectors for low background applications

Salathe, Marco

German Title: Studie eines modifizierten Germaniumdetektors mit punktförmigem Auslesekontakt für Anwendungen bei einem tiefen Untergrund

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Abstract

Point contact germanium (PCGe) detectors play a vital role in research such as, neutrinoless double beta decay, direct dark matter detection, the neutrino magnetic moment and coherent neutrino-nucleus scattering. This dissertation presents an experimental investigation of two commercially available, almost identical large volume PCGe detectors (~760g). Their point contact size was stepwise modified according to specified simulations of the electric field in the detectors. The reduction of the point contact size improved both, the pulse shape discrimination efficiency of background signals at a few MeV and the noise from electronics. The lowest contribution of noise to the energy resolution was (299±2)eV and (336±2)eV (FWHM) for the two detectors, respectively. The better value translates to an energy threshold of 1keV for an experiment with a low background level. A sensitivity study concluded that a resolution of less than 150-180eV is required to detect the coherent neutrino-nucleus scattering near nuclear reactors. This is a factor of two better than the currently obtained value.

Additionally, two different approaches have been used to determine the Fano factor. They both yielded consistent results, the better result is 0.1076±0.0005. Before the most optimal results could be obtained, an evaluation of three shaping filters (the rounded-top cusp, rounded-top trapezoidal and Gaussian filter) and a ballistic deficit correction was performed. Once completed the most ideal combinations of filters were used to procure the dissertation's findings.

Translation of abstract (German)

Germaniumdetektoren mit einer punktförmigen Ausleseelektrode (PCGe) spielen bei der Erforschung von Themen wie dem neutrinolosen doppelten Betazerfall, der direkten Wechselwirkung von dunkler Materie, dem magnetischen Moment des Neutrinos und der kohärenten Streuung von Neutrinos am Atomkern, eine zentrale Rolle. Diese Doktorarbeit präsentiert eine experimentelle Untersuchung von zwei kommerziell erhältlichen, fast identischen PCGe-Detektoren mit großem Volumen (~760g). Die punktförmige Ausleseelektrode wurde, mit Hilfe von spezifischen Simulationen vom elektrischen Feld im Detektor, schrittweise verändert. Die Verkleinerung der fast punktförmigen Ausleseelektrode verbesserte sowohl die Unterdrückungseffizienz von Untergrundsignalen durch die Analyse der Signalform bei einigen MeV wie auch das elektronische Rauschen. Der tiefste Anteil vom Rauschen an der Energieauflösung war (299±2)eV und (336±2)eV (Halbwertsbreite) für die beiden Detektoren. Die bessere der beiden Auflösungen entspricht einer Energieschwelle von 1keV für ein Experiment mit einem niedrigen Untergrund. Eine Sensitivitätsstudie kam zu der Schlussfolgerung, dass eine Auflösung von mindestens 150-180eV nötig ist, um die kohärente Streuung von Neutrinos an Germaniumatomkernen in der Nähe eines Atomreaktors zu messen. Das ist ein Faktor zwei besser als das, was bisher erreicht wurde.

Zusätzlich, wurde mit zwei verschiedenen Ansätzen der Fano-Faktor bestimmt. Beide finden ein konsistentes Ergebnis, das bessere Ergebnis ist 0.1076±0.0005. Damit diese optimierten Resultate erreicht werden konnten, war es wichtig, drei verschiedene Pulsformfilter (der cusp Filter mit abgerundetem Maximum, der trapezoidale Filter mit abgerundetem Maximum und der gaußförmige Filter) zusammen mit einer Korrekturmethode für das ballistische Defizit, zu evaluieren. Danach wurden die als ideal befundenen Filter benutzt, um die Auswertung durchzuführen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Lindner, Prof. Dr. Manfred
Date of thesis defense: 25 November 2015
Date Deposited: 09 Dec 2015 09:10
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Germaniumdetektor, Neutrino-Nukleon-Streuung, Doppelter Betazerfall, Elektronisches Rauschen, Impulsformung, Punktkontakt
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