Setup and proof-of-concept of a test stand for High Purity Germanium spectroscopy detectors

Abstract

Eine Reduktion der nat ̈urlichen Hintergrundstrahlung ist notwendig f ̈ur jedes Experiment auf der Suche nach seltenen Ereignissen, z.B. die Suche nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall wie es das Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double Beta Decay (LE- GEND) tut. Eine erfolgreiche Technik zur Reduktion der Hintergrundstrahlung ist die Pulsform- Diskrimination, die verschiedene Arten von Strahlung unterscheiden und damit unerw ̈unschte Ereignisse aussortieren kann. Ereignisse werden dabei in erw ̈unschte Single Site Events (SSE) und unerw ̈unschte Multi Site Events (MSE) klassifiziert. Diese Technik basiert auf einem sehr guten Verst ̈andnis wie die Pulse im Detektor zustandekommen. Ein guter Vertreter der SSEs in LEGEND ist das Doppel-Autrittsereignis nach Paarbildung durch ein γ-Quant von z.B. der 2614 MeV γ Linie von 232Th. Ein derartiges Ereignis beginnt mit Paarbildung im Detektor. Das Elektron und das Positron deponieren ihre kinetische Energie von gesamt 1592 keV im Detektor und anschließend annihiliert das Positron mit einem Elektron des Detektors. Dabei werden zwei γ Quanten mit einer Energie von jeweils 511 keV produziert, die entgegengesetzt voneinander emittiert werden. Verlassen beide Quanten den Detektor ohne Wechselwirkung, besteht das Si- gnal im Detektor nur aus der Energiedeposition von Elektron und Positron in einem kleinen r ̈aumlichen Volumen. Eine solche Signatur h ̈atte auch ein neutrinoloser doppelter Betazerfall. Diese Arbeit behandelt den Aufbau und Test eines Teststandes um das Interaktionsvolumen und die Pulsform solcher Doppel-Austrittsereignisse zu messen. Dies f ̈uhrt idealerweise zu einem besseren Verst ̈andnis der Pulsformen und damit vielleicht zu neuartigen Formen der Pulsform- Diskrimination. Insbesondere k ̈onnen damit bestehende Pulsform-Simulationen verifiziert wer- den. Zur weiteren Reduktion der nat ̈urlichen Hintergrundstrahlung behandelt diese Arbeit auch einen Teil der Inbetriebnahme des Cherenkov-Myon-Vetos f ̈ur LEGEND-200.

Background reduction is crucial for low background experiments as for example those search- ing for the neutrinoless double beta decay like the Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double Beta Decay (LEGEND). A successful technique for background reduction is pulse shape discrimination, which can discriminate different kinds of radiation and therefore assort unwanted events. The events are categorized in desired single-site events (SSE) and un- wanted multi-site events (MSE). This technique relies on a good understanding of how the pulse shapes are formed. A good proxy for SSEs in LEGEND is the double escape event from a γ ray with 2614.5 keV due to the decay of 208Tl. Such an event starts with pair production inside of the detector. The electron causes an energy deposition of 1592 keV in the detector and the positron annihilates with another electron into two γ rays with energies of 511 keV. If both these γ rays leave the detector, a double escape event occurs and the electron is the only energy deposition in the detector. The energy deposition inside of the detector happens in a small volume due to the very short reach of the electron. This thesis covers the setup and use of a test stand to measure pulse shapes as a function of interaction region for such double escape events. This may lead to a better understanding of the pulse shapes and therefore a new kind of pulse shape discrimination in the future. Most importantly existing pulse shape simulations can be verified. For further background reduction this thesis also covers part of the commissioning of the Cherenkov muon veto for LEGEND-200.