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Performance and stability tests of bare high purity germanium detectors in liquid argon for the GERDA experiment

Barnabé Heider, Marik

German Title: Leistungs- und Stabilitätstests nackter, hochreiner Germaniumdetektoren in flüssigem Argon für das GERDA-Experiment

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Abstract

GERDA will search for neutrinoless double beta decay of 76Ge by using a novel approach of bare germanium detectors in liquid argon (LAr). Enriched germanium detectors from the previous Heidelberg-Moscow and IGEX experiments have been reprocessed and will be deployed in GERDA Phase-I. At the center of this thesis project is the study of the performance of bare germanium detectors in cryogenic liquids. Identical detector performance as in vacuum cryostats (2.2 keV FWHM at 1.3 MeV) was achieved in cryogenic liquids with a new low-mass detector assembly and contacts. One major result is the discovery of a radiation induced leakage current (LC) increase when operating bare detectors with standard passivation layers in LAr. Charge collection and build-up on the passivation layer were identified as the origin of the LC increase. It was found that diodes without passivation do not exhibit this feature. Three month-long stable operation in LAr at 5 pA LC under periodic gamma irradiation demonstrated the suitability of the modifed detector design. Based on these results, all Phase-I detectors were reprocessed without passivation layer and subsequently successfully characterized in LAr in the GERDA underground Detector Laboratory. The mass loss during the reprocessing was 300 g out of 17.9 kg and the exposure above ground 5 days. This results in a negligible cosmogenic background increase of 5x10-4 cts/(keV kg y) at 76Ge Q for 60Co and 68Ge.

Translation of abstract (German)

Das GERDA Experiment wird nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall von 76Ge suchen. Dazu wird der neue Ansatz verfolgt, nackte Germaniumdetektoren in fluessigem Argon (LAr) zu betreiben. Angereicherte Germaniumdetektoren aus den vorangegangenen Heidelberg-Moskau und IGEX Experimenten wurden ueberarbeitet und werden in GERDA Phase-I eingesetzt. Im Mittelpunkt dieser Dissertation steht die Untersuchung der Leistungsfaehigkeit nackter Germaniumdetektoren in tiefkalten Fluessigkeiten. Mit einer neuen niedermassigen Detektorhalterung und Kontaktierung wurde in tiefkalter Fluessigkeit die gleiche Detektorleistung wie in Vakuum-Kryostaten (2.2 keV FWHM bei 1.3 MeV) erzielt. Eine wichtige Entdeckung ist der Anstieg von strahlungsinduziertem Leckstrom (LC) bei dem Betrieb der Detektoren mit ueblichen Passivierungsschichten (PS) in LAr. Als Ursache des Leckstromanstiegs wurden Ladungssammlung und -anhaeufung auf der PS ausgemacht. Es wurde gezeigt, dass Dioden ohne PS dieses Merkmal nicht aufweisen. Ein dreimonatiger stabiler Betrieb in LAr bei 5 pA LC unter regelmaessiger Gammabestrahlung zeigte die Eignung des modifizierten Detektoraufbaus. Baierend auf diesen Ergebnissen wurden alle Phase-I Detektoren ohne PS ueberarbeitet und anschliessend erfolgreich in LAr im GERDA Detektorlabor charakterisiert. Der Masseverlust waehrend der Ueberarbeitung betrug 300 g von 17.9 kg bei einer oberirdischen Strahlenbelastung von 5 Tagen. Damit ergibt sich eine vernachlaessigbare Zunahme des kosmogenen Untergrunds von 5x10-4 cts/(keV kg y) bei 76Ge Q fuer 60Co und 68Ge.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hampel, Prof. Dr. Wolfgang
Date of thesis defense: 27 May 2009
Date Deposited: 16 Jun 2009 11:32
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Germanium-76, Detektor, Argon
Uncontrolled Keywords: GERDA experiment , germanium detector , liquid argon
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