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Detector optimization based on studies of charge migration in the high purity germanium crystals of the EDELWEISS dark matter experiment

Foerster, Nadine

Abstract: Kosmologische Beobachtungen auf allen Größenskalen des Universums haben gezeigt, dass 86 % der gesamten Masse im Universum aus nicht-leuchtender, gravitativ wechselwirk- ender Dunkler Materie besteht, wohingegen die bekannte baryonische Materie nur 14 % ausmacht. Obwohl schwach wechselwirkende massive Teilchen (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs) bisher noch nicht nachgewiesen wurden, stellen sie attraktive Anwärter auf ein Dunkle Materie Teilchen dar, weil sie zum einen auf natürliche Weise die heute beobachtete Dichte von Dunkler Materie erklären und zum anderen stabil und neutral sind, selten mit normaler Materie wechselwirken und auch eine niedrige Selbstwechsel- wirkungsrate aufweisen. Ursprünglich wurde angenommen, dass WIMPs hohe Massen im Bereich zwischen 100 GeV/c2 und 1 TeV/c2 haben sollten, allerdings gehören heutzu- tage auch WIMPs mit niedrigen Massen (low-mass WIMPs) von einigen GeV/c2 zu den potentiellen Anwärtern. Die Experimente zur direkten Suche nach Dunkler Materie ver- suchen, den elastischen Stoß eines WIMPs mit einem Target-Nukleon nachzuweisen. Da der Energieübertrag bei so einem Stoß sehr klein ist, müssen Dunkler Materie Detektoren eine exzellente Unterdrückung von Untergrundereignissen und sehr niedrige Detektions- schwellen aufweisen. Insbesondere für die Messung von low-mass WIMPs sind Detektions- schwellen im sub-keV Bereich notwendig. Diese Arbeit wurde im Rahmen des EDELWEISS Experiments angefertigt, welches als Ziel hat, Wechselwirkungen von WIMPs in hochreinen Germanium Kristallen (High Purity Germanium, HPGe) zu messen. Die ausgezeichnete Funktionsweise dieser Detek- toren wurde bereits in der 3. Phase des Experiments gezeigt und erlaubte Ausschluss- werte für den WIMP-Nukleon Streuwirkungsquerschnitt bis zu niedrigen WIMP Teilchen- massen von 4 GeV/c2 zu bestimmen. Dieser Erfolg basiert auf der gleichzeitigen Mess- ung des Ionisierungs- (Elektron und Loch Paare) und Wärmesignals (Phononen) eines gestoßenen Teilchens. Über das Verhältnis von Ionisationsenergie zu Wärmesignal können Kernrückstöße und Elektronenrückstöße unterschieden werden, wobei erstere durch WIMPs verursacht werden und letztere durch γ- und β- Untergrundstrahlung. Zusätzlich besitzen die Detektoren ein spezielles Elektrodendesign (Fully Inter Digitized, FID), das die Iden- tifizierung und Verwerfung von oberflächennahen Ereignissen erlaubt, welche oft vom Ein- fang von Ladungsträgern betroffen sind, was wiederum zu einer unvollständigen Messung der Ionisationsenergie führt. iii iv Die nächste Phase des EDELWEISS Experiments begann im Dezember 2016 und hat zum Ziel, die Sensitivität für low-mass WIMPs mit mχ ≈ 1 GeV/c2 zu erreichen. Dies bedingt niedrige Detektionsschwellen im sub-keV Bereich. Erreicht werden kann dies, in- dem die HPGe Kristalle mit hohen elektrischen Feldern von bis zu 100 V/cm betrieben werden. Dies führt zu einer Verstärkung des Wärmesignal basierend auf dem Neganov- Trofimov-Luke (NTL) Effekt. Während Elektronen und Löcher durch den Kristall driften, werden sekundäre Phononen erzeugt, deren Anzahl mit dem angelegten elektrischen Feld ansteigt. Das ermöglicht eine Reduzierung der Detektionsschwelle im Wärmekanal auf unter 100 eV. Allerdings geht die Diskriminierung von Elektronen- und Kernrückstößen, sowie die Identifizierung von oberflächennahen Ereignissen verloren. Im Fokus dieser Arbeit stehen die Ladungstransporteigenschaften von Elektronen und Löchern in den HPGe Kristallen bei niedrigen und hohen elektrischen Feldern, da das Verständnis dieser Eigenschaften wesentlich ist, um die NTL Verstärkung wirkungsvoll zu nutzen. Zu diesem Zweck wurde ein umfangreiches Kalibrierungsexperiment mit einem FID HPGe Detektor in einem Oberflächenlabor durchgeführt und die experimentellen Ergeb- nisse mit Ladungstransportsimulationen in den EDELWEISS Detektoren verglichen. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse der Pulsformen der Ionisa- tionssignale. Diese Analyse erlaubt, Ladungtransporteigenschaften zu untersuchen, da die Form der Ionisationssignale eine direkte Konsequenz aus dem Transport von Elektronen und Löchern in den HPGe Kristallen ist. Die Analyse der Anstiegszeiten der Ionisationssig- nale bei hohen und niedrigen elektrischen Feldern zeigt, dass Simulationen und Messergeb- nisse gut übereinstimmen. Zusätzlich zeigt sich, dass oberflächennahe Ereignisse kürzere Anstiegszeiten als Ereignisse im Inneren des Detektors haben und folglich eine Diskrim- inierung von oberflächennahen Ereignissen möglich ist. Abschließend wird gezeigt, dass die Anstiegszeiten geeignet sind, frühzeitig das Entstehen von Raumladung und somit eine Verschlechterung der Ladungssammlung zu erkennen. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Funktionsweise der HPGe Detek- toren bei hohen elektrischen Feldern. In diesem Fall sind nicht nur die Ionisationssignale sondern auch das Wärmesignal stark von Ladungstransportprozessen beeinträchtigt, da das Wärmesignal von sekundären Phononen, die durch driftende Elektronen und Löchern entstehen, dominiert wird. Auch hier zeigte sich, dass Simulation und Messung gut über- einstimmen. Es stellte sich heraus, dass die Detektorsignale stark von Ladungseinfang beeinträchtigt sind, was zu unvollständiger Ladungssammlung und reduzierten Wärmes- ignalen führt. Davon betroffen sind vor allem Ereignisse, die nahe der Oberfläche und zwischen den Ringelektroden auftreten. Um den Einfluss von reduzierter Ladungssamm- lung für oberflächennahe Ereignisse zu minimieren, führen wir eine Optimierung der Elek- trodenkonfiguration durch. Da im Falle von hohen elektrischen Feldern, die Detektions- schwelle niedrig ist, dominiert niedrigenergetische Untergrundstrahlung im oberflächenna- hen Bereich. Deswegen liegt der Schwerpunkt der Optimierung auf Energieeinträgen, die nahe der Oberfläche einer Schicht d ∈ [200 nm, 1 μm] stattfinden. Vor allem ein geändertes Design der Elektroden, das nur noch aus 2 großflächigen Elektroden besteht, erlaubt im Vergleich zu einem FID Detektor eine signifikante Reduktion der Ereignisse, die von un- vollständiger Ladungssammlung beeinflusst werden. v Die spannungsunterstützte Messung von Ionisierung als Wärmesignal in Halbleiterde- tektoren ist ein vielversprechender und zukunftsweisender Weg um höhere Sensitivität für low-mass WIMPs zu erreichen. Dies macht ein gutes Verständnis von Ladungstrans- portprozessen und die Vermeidung von Signalreduzierung durch Ladungseinfang um so wichtiger. Diese Arbeit zeigt, dass der Ladungstransport in HPGe Detektoren bei tiefen Temperaturen und für elektrische Felder zwischen 2 V/cm und 50 V/cm und höher gut verstanden ist. Dadurch wird eine zuverlässige Rekonstruktion der Energieeinträge im Detektor auch bei hohen elektrischen Feldern möglich. Diese in dieser Arbeit gezeigte Verlässlichkeit der Energieskala erlaubt, den nächsten Schritt in Richtung der Detektion von low-mass WIMPs anzugehen.

Abstract (englisch): Cosmological observations on all scales of the universe have shown that 86 % of the matter in the universe consists of non-luminous, gravitating, dark matter, whereas the known baryonic matter only accounts for 14 %. Although Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) have not been detected so far, they are very attractive dark matter particle candidates as they naturally explain the observed dark matter density and satisfy the basic properties of dark matter, i.e. they are collisionless, stable, low self-interacting, neutral and weakly interacting with normal matter. Originally, WIMPs were assumed to be heavy with masses in the range from 100 GeV/c2 to 1 TeV/c2, however nowadays also low-mass WIMPs with masses of a few GeV/c2 are considered as potential candidates. Direct dark matter experiments try to measure the signature of an elastic scattering event of a WIMP with a target nucleon. The associated energy transfer is small, therefore dark matter detectors have to provide excellent background suppression together with very low detection thresholds. Especially for low-mass WIMPs, thresholds have to be in the sub-keV range. This thesis was performed in the framework of the EDELWEISS experiment, which aims to detect WIMP interactions in High Purity Germanium (HPGe) detectors. The excellent performance of these detectors was proven in the EDELWEISS-III phase, setting limits on the WIMP-nucleon cross-section down to WIMP masses of 4 GeV/c2 . The success was based on the hybrid detection of ionization (electron/hole-pairs) and heat (phonons) signals of a particle interaction, which allows to discriminate nuclear recoils, caused by WIMPs, from electron recoils, which are created by background γ- and β-rays. In addition, the special Fully Inter Digitized (FID) electrode design allowed to reject surface events, which are often affected by trapping and compromise a full measurement of the ionization energy. In the next phase, having started in December 2016, EDELWEISS aims to increase its sensitivity down to low-mass WIMPs with mχ ≈ 1 GeV/c2. To reach this goal, detection thresholds in the sub-keV range are required. This can be achieved by operating the HPGe detectors at high electric fields, typically up to 100 V/cm. This leads to the so- called Neganov-Trofimov-Luke (NTL) amplification of the heat signal: Drifting electrons and holes lead to secondary phonons, where the number of phonons is proportional to the applied electrode voltage. This technology allows to lower the detection threshold in the heat channel to the 100 eV-range. However, the discrimination power of electron and nuclear recoils and surface events is lost. i ii This thesis is centered on the study of the HPGe crystals, and especially on the charge migration properties of electrons and holes at low and high electric fields. These proper- ties and their understanding are essential to make proper use of the NTL amplification. Therefore, we performed an extensive calibration experiment with a prototype FID HPGe detector at ground level. We focus on the characterization and understanding of the charge migration processes in the detector, which are crucial for a reliable detector performance. The analysis makes use of the comparison of experimental data with simulations based on modeling the hot carrier transport in the EDELWEISS detectors. The first part of this work focuses on the pulse-shape analysis of the ionization sig- nals. Pulse-shape analysis allows to study charge transport properties as the shapes of the ionization signals are a direct consequence of electron and hole migration in the HPGe crystal. We use the rise time of ionization signals at low and high electric fields and show that simulation and data are in very good agreement. Further we show that the rise time for surface events is clearly distinguishable from bulk events. We subsequently perform a rise time cut which allows us to reject surface events. Eventually, we show that the rise time parameter can be used to characterize the degradation and space-charge build-up in the detector. The second part of this thesis is dedicated to the study of the detector performance at high electric fields. The heat signals at high biases are dominated by phonons which are created by drifting electrons and holes. Hence, charge migration processes like trapping are influencing both ionization and heat signals. We show that also at high electric fields, simulation and data are in good agreement. We find that the detector signals are heavily affected by trapping, leading to incomplete charge collection and reduced heat signals. Especially interactions close to the surface and in-between the ring electrodes are limiting the detector performance. Therefore, we optimize the electrode configuration to reduce poor charge collection in the surface region. In case the detectors are operated at high biases, the detection thresholds are low, and therefore low energy backgrounds interacting close to the surface become dominant. This requires an optimization focused on energy deposits in a layer d ∈ [200 nm, 1 μm] close to the surface. We show that for an electrode design, which consists of only two electrodes, which fully cover the top, bottom and lateral surface of the detector with a small gap (3 mm) on the lateral surfaces, the number of events with reduced heat amplitude due to trapping can be reduced significantly compared to a FID-type detector. In the searches for low-mass WIMPs with semiconductor detectors, voltage-assisted calorimetric amplification of heat signals will lead the path to higher sensitivity. Thus, understanding the charge transport and avoiding charge trapping becomes an even more important issue. This work proves that charge migration is very well understood for HPGe detectors at cryogenic temperature and bias electric fields ranging from 2 V/cm to 50 V/cm and even higher. This allows us to make the next experimental step towards low-mass WIMP searches with a reliable reconstruction of energy deposits in HPGe detectors.


Zugehörige Institution(en) am KIT Institut für Experimentelle Kernphysik (IEKP)
Publikationstyp Hochschulschrift
Jahr 2017
Sprache Englisch
Identifikator DOI(KIT): 10.5445/IR/1000068031
URN: urn:nbn:de:swb:90-680313
KITopen ID: 1000068031
HGF-Programm 51.03.05; LK 01
Verlag Karlsruhe
Umfang XII, 145 S.
Abschlussart Dissertation
Fakultät Fakultät für Physik (PHYSIK)
Institut Institut für Experimentelle Kernphysik (IEKP)
Prüfungsdatum 03.02.2017
Referent/Betreuer Prof. J. Blümer
Schlagworte Dark Matter, Semiconductor Detector, Low Temperature, Germanium
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