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Mitigation of 222Rn induced background in the XENON1T dark matter experiment

Brünner, Stefan Augustin

German Title: Reduktion des 222Rn induzierten Untergrundes im XENON1T Dunkle Materie Experiment

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Abstract

222Rn is a major source of background in many rare-event experiments such as the XENON1T dark matter search. The noble gas radon is created by radioactive decay inside all detector materials and emanates into the sensitive liquid xenon target disabling any detector shielding. Subsequent beta-decays of radon progenies are the dominant source of background in the XENON1T experiment. In order to mitigate radon induced background the detector's construction materials have been selected according to dedicated 222Rn emanation measurements. In the first part of this thesis, we summarize the results of the XENON1T radon screening campaign and present the measurement of the integral radon emanation rate of the fully assembled detector. The development of a radon removal system which continuously purifies the liquid xenon target from the emanated radon is the topic of the second part of this thesis. In order to demonstrate the suitability of cryogenic distillation as a technique to separate radon from xenon, we developed an experimental setup to measure the depletion of radon in xenon boil-off gas after a single distillation step. In the last part of the thesis, we demonstrate the operation of a radon removal system for the XENON100 experiment. For this first test employing a running dark matter detector, we integrated a multiple stage, cryogenic distillation column in the XENON100 gas purification loop. From the evolution of the radon concentration in XENON100, we investigate the distillation column's radon removal capability and discuss the design and application of a radon removal system for XENON1T and the upcoming XENONnT experiment.

Translation of abstract (German)

Für viele Experimente auf der Suche nach seltenen Signal-Ereignissen stellt 222Rn eine entscheidende Quelle für Untergund dar. Radon entsteht durch radioaktiven Zerfall in den Detektormaterialien und kann, begünstigt durch seine Eigenschaften als Edelgas, in das sensitive Flüssig-Xenon Target gelangen. Die nachfolgenden Beta-Zerfälle sind die Hauptursache für Untergrundereignisse in XENON1T. Um diese zu reduzieren, werden nur Materialien mit niedriger Radon-Emanations-Rate ausgewählt und für die Detektorkonstruktion verwendet. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Ergebnisse der XENON1T Emanationsmessungen zusammengefasst. Außerdem wird die integrale Emanationsrate des fertiggestellten Detektors gemessen und diskutiert. Inhalt des zweiten Teils ist die Demonstration eines Radon-Reinigung-Systems für flüssig Xenon Detektoren im laufenden Betrieb. Dabei soll in einem Reinigungskreislauf Radon mittels kryogener Destillation vom Xenon getrennt werden. Dazu wurde zunächst die Radonreduktion in Xenongas nach einer einfachen Destillationsstufe gemessen um diese Trennungsmethode auch bei niedrigsten Radonkonzentrationen nachzuweisen. Im letzten Teil der Arbeit, wird der Einsatz eines Radon-Reinigungs-System am laufenden XENON100 Detektor präsentiert. Dabei wurde eine mehrstufige Destillationssäule adaptiert und in die bestehende Gasreinigung des Detektors integriert. Aus der Evolution der Radon Konzentration in XENON100 wird das Trennvermögen der Destillationssäule bestimmt. Abschließend wird die Entwicklung und der Einsatz eines Radon-Reinigungs-Systems für XENON1T und den zukünftigen XENONnT Detektor diskutiert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Lindner, Prof. Dr. Dr. h.c. Manfred
Date of thesis defense: 5 July 2017
Date Deposited: 02 Aug 2017 05:58
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: radon, cryogenic distillation, radioactive noble gases
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