German Title: Germanium-Detector-Studien im Rahmen des GERDA-Experiments

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Abstract

The GERmanium Detector Array (GERDA) is an ultra-low background experiment under construction at Laboratori Nazionali del Gran Sasso. GERDA will search for Ge-76 neutrinoless double beta decay with an aim for 100-fold reduction in background compared to predecessor experiments. This ambition necessitates innovative design approaches, strict selection of low-radioactivity materials, and novel techniques for active background suppression. The core feature of GERDA is its array of germanium detectors for ionizing radiation, which are enriched in Ge-76. Germanium detectors are the central theme of this dissertation. The first part describes the implementation, testing, and optimisation of Monte Carlo simulations of germanium spectrometers, intensively involved in the selection of low-radioactivity materials. The simulations are essential for evaluations of the gamma ray measurements. The second part concerns the development and validation of an active background suppression technique based on germanium detector signal shape analysis. This was performed for the first time using a BEGe-type detector, which features a small read-out electrode. As a result of this work, BEGe is now one of the two detector technologies included in research and development for the second phase of the GERDA experiment. A suppression of major GERDA backgrounds is demonstrated, with (0.93 ± 0.08)% survival probability for events from Co-60, (21 ± 3)% for Ra-226, and (40 ± 2)% for Th-228. The acceptance of Th-228 double escape events, which are analogous to double beta decay, was kept at (89 ± 1)%.

Translation of abstract (German)

Das "GERmanium Detector Array" (GERDA) ist ein Experiment mit extrem niedrigem Untergrund, das zur zeit am "Laboratori Nazionali del Gran Sasso" aufgebaut wird. GERDA wird nach dem neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall von Ge-76 suchen, mit dem Ziel die Untergrundeffekte um einen Faktor 100 gegenüber den Vorgänger-Experimenten zu unterdrücken. Dieses Bestreben macht innovative Design-Ansätze, strenge Auswahl an Materialien mit niedriger Eigenradioaktivität und neue Techniken zur aktiven Unterdrückung des Untergrundes notwendig. Das zentrale Element von GERDA ist ein Array mit Ge-76-angereicherte Germanium-Detektoren für ionisierende Strahlung. Germanium-Detektoren sind auch das zentrale Thema dieser Dissertation. Der erste Teil beschreibt die Implementierung, die Tests und die Optimierung der Monte Carlo-Simulationen von Germanium-Spektrometern, die für die Selektion von Materialien mit niedriger Eigenradioaktivität unabkömmlich sind. Die Simulationen sind wesentlich für die Auswertungen der Gamma- Strahlungs-Messungen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Entwicklung und der Prüfung einer Methode zur aktiven Unterdrückung des Untergrundes, die auf einer Form-Analyse des Germanium-Detektor-Signals besteht. Dies wurde zum ersten Mal für einen Detektor des BEGe- Typs, der eine kleine Auslese-Elektrode beinhaltet, verwirklicht. Als Ergebnis dieser Arbeit ist BEGe nun als eine der beiden Detektor-Technologien in der Forschung und Entwicklung für die zweite Phase des GERDA-Experiments enthalten. Eine Unterdrückung des Hauptuntergrundes für GERDA wird aufgezeigt, mit einer (0.93 ± 0.08)-prozentigen Überlebenswahrscheinlichkeit für Co-60-Ereignisse, (21 ± 3)% für Ra-226 und (40 ± 2)% für Th-228. Die Akzeptanz von Th-228 Doppel-Escape-Ereignissen, die analog zu Doppel-Beta-Zerfall sind, wurde auf (89,2 ± 0,9)% gehalten.