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http://doi.org/10.25358/openscience-2674Full metadata record
| DC Field | Value | Language |
|---|---|---|
| dc.contributor.author | Beskers, Bastian | |
| dc.date.accessioned | 2018-05-16T18:23:57Z | |
| dc.date.available | 2018-05-16T20:23:57Z | |
| dc.date.issued | 2018 | |
| dc.identifier.uri | https://openscience.ub.uni-mainz.de/handle/20.500.12030/2676 | - |
| dc.description.abstract | In 1933 Fritz Zwicky first claimed the existence of Dark Matter in the universe. Since that time, astronomy, particle and astro-particle physics have made some effort to understand the effect. Yet Dark Matter remains an unsolved puzzle. Especially in the last three decades direct detection experiments have been built and conducted, restricting the parameter space for Dark Matter particles, but none of the experiments could detect Dark Matter interactions with baryonic matter yet. Some of the leading experiments in the last decade have been based on liquid xenon as detector material and upcoming experiments based on the same principle are still most promising. To improve background discrimination and analysis techniques, a refined knowledge on the properties of xenon as detector material and the microscopic processes in liquid xenon that lead to scintillation and ionization are necessary. The MainzTPC, a detector dedicated to study the scintillation and ionization process of liquid xenon systematically has been built in the course of this thesis. Like the Dark Matter experiments (XENON100, XENON1T, LUX) the MainzTPC is built as a dual-phase time projection chamber. Hence, it provides charge readout, which yields 3D position resolution and the possibility to study the influence of the strength of an applied drift field on the scintillation process. Pulse shape discrimination (PSD) could be used as a background discrimination technique comple- mentary to the established method using charge-over-light ratio. For the liquid xenon scintillation pulse shape it was shown in earlier measurements that two excimer states, singlet and triplet, contribute to the scintillation. But their short decay time constants of 2 ns and 27 ns poses a challenge to the measurement of the pulse shape. Although pulse shape discrimination might be possible without measuring the signal with high time resolution, a detailed study of the ratio of singlet to triplet excimers and the influence of electron-ion recombination (and its suppression by the drift field) on the pulse shape requires fast photo detectors and electronics with high bandwidth. This thesis describes the MainzTPC and the measurement setup, including electronics and photo-sensors. The abilities for pulse shape measurements with the MainzTPC are investigated and some issues that require improvement for the future are pointed out. Finally, the thesis shows various measurements of nuclear and electronic recoils taken at the neutron source nELBE at the Helmholtz-Center Dresden-Rossendorf. First analysis approaches to model the scintillation signal pulse shape are described. With a signal shape averaged over many interactions, the results clearly show a difference in the shape of electronic and nuclear recoils without drift field, and hence qualitatively confirm older results from [KHR78] and [HTF + 83]. The attempt to determine the pulse shape on an event-by-event basis by fitting individual scintillation signals with a model function is hampered by low photon statistics. The reason for this difficulty is the shape of the individual signal, which does not have one single rise followed by a decay as the averaged signal shape, but shows fluctuations of the signal especially in the decaying part. A Monte Carlo simulation, in which the signal shape of individual events was simulated based on the knowledge of the average scintillation shape from the previous measurements and the single photo-electron response of our photo-multiplier tubes showed that the fluctuations seen on individual measured signals originate indeed from the statistical fluctuations in photon generation times. Prospects for future improvements are discussed. | en_GB |
| dc.description.abstract | Seit Fritz Zwicky 1933 erstmals die Existenz von Dunkler Materie postulierte, wurden von Astronomen, Teilchen- und Astroteilchenphysikern Anstregungen unternommen, mehr darüber zu lernen. Inbesondere in den letzten drei Jahrzehnten wurden Experimente entworfen und durchgeführt, um Dunkle Materie direkt nachzuweisen. Jedoch konnte bisher nur der Parameterraum für mögliche Dunkle Materie Teilchen eingeschränkt werden, ein Nachweis ist bisher nicht gelungen. Einige der bisher führenden Experimente, und auch vielversprechende geplante Dunkle Materie Experimente, nutzen verflüssigtes Xenon als Detektion- smedium. Um für zukünftige Experimente die Untergrund-Diskriminierung und Analysen zu verbessern, ist ein umfassenderes Verständnis von flüssigem Xenon und der mikroskopischen Prozesse, die zur Freisetzung von Ladung und Szintillationslicht führen, notwendig. Die MainzTPC wurde zur Untersuchung dieser Detektionsprozesse entworfen und gebaut. Die MainzTPC funktioniert, genau wie die Dunkle Materie Experimente XENON100, XENON1T und LUX nach dem Prinzip einer Zwei-Phasen-Zeitprojektionskammer. Damit ist eine Auslese der bei Wechselwirkungen erzeugten Ladung (Elektronen-Ionen-Paaren) möglich und damit eine 3D Positionsrekonstruktion des Wech- selwirkungspunktes. Außerdem ist es durch eine Variation des Driftfeldes möglich, den Einfluss verschiedener Feldstärken auf den Szintillationsprozess zu untersuchen. Der zeitliche Verlauf des Szintillationslichts könnte eine weitere, zur bisher etablierten Methode des Ladungs-Licht-Verhältnisses komplementäre Technik zur Untergrunddiskriminierung sein, welche die Sensitiv- ität von Dunkle Materie Experimenten, insbesondere im Bereich kleiner Energiedepositionen, erhöhen könnte. Frühere Messungen zeigen, dass zwei Exzimer-Zustände (Singlet und Triplet) zum Szintillationsprozess beitragen, aber die sehr kurzen Lebensdauern der beiden Exzimere (2 ns und 27 ns) stellen hohe An- forderungen an die Bandbreite und Samplingrate von Elektronik und die Zeitauflösung von Lichtdetektoren. Auch wenn Signalform-Diskriminierung (pulse-shape discrimination, PSD) auch ohne zeitlich hochaufgelöste Messung der Signale möglich sein kann, ist dies für eine Messung, die zu erweitertem Verständnis des Szintillationsprozesses führen soll, unabdingbar. In dieser Arbeit wird der Entwurf und der Aufbau der MainzTPC sowie der Messaufbau und die verwendete Elektronik und Lichtsensoren beschrieben. Diese Arbeit zeigt das Potential der MainzTPC, die Szintillationslichtform zu messen, und stellt ein paar Punkte die in Zukunft verbessert werden müssen heraus. Außerdem werden erste Ergebnisse für Hüllen- und Kernrückstöße aus Messungen an der Neutronenquelle nELBE am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf vorgestellt. Es werden Analysewege für eine Bestimmung der Szintillationslichtform gezeigt. Mit einem über viele Streuereignisse gemittelten Signal ohne anliegendes Driftfeld ist ein deutlicher Unterschied zwischen den Formen von Hüllen- und Kernrückstoß-Szintillationslicht erkennbar. Damit werden die Ergebnisse von [KHR78] und [HTF + 83] qualitativ bestätigt. Es stellte sich als schwierig heraus, die Signalform für einzelne Ereignisse mittels Anpassung der Modellfunktion an die Signale zu bestimmen. Der Grund dafür ist, dass die Signalform eines einzelnen Ereignisses nicht wie das gemittelte Signal einen Anstieg mit darauf folgendem Abfall hat, sondern dass insbesondere im abklingenden Teil viele Fluktuationen zu sehen sind. Mittels einer einfachen Simulation von zu erwartenden Signalen konnte gezeigt werden, dass diese Fluktuationen durch die statistisch verteilten Erzeugungszeitpunkte der Photonen im Szintillationsprozess begründet sind. Zukünftige Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert. | de_DE |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | InCopyright | de_DE |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ | |
| dc.subject.ddc | 530 Physik | de_DE |
| dc.subject.ddc | 530 Physics | en_GB |
| dc.title | MainzTPC: design and comissioning of a dual-phase liquid xenon time-projection-chamber for studies of the scintillation pulse shape | en_GB |
| dc.type | Dissertation | de_DE |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000019992 | |
| dc.identifier.doi | http://doi.org/10.25358/openscience-2674 | - |
| jgu.type.dinitype | doctoralThesis | |
| jgu.type.version | Original work | en_GB |
| jgu.type.resource | Text | |
| jgu.description.extent | VIII, 209 Seiten | |
| jgu.organisation.department | FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik | - |
| jgu.organisation.year | 2018 | |
| jgu.organisation.number | 7940 | - |
| jgu.organisation.name | Johannes Gutenberg-Universität Mainz | - |
| jgu.rights.accessrights | openAccess | - |
| jgu.organisation.place | Mainz | - |
| jgu.subject.ddccode | 530 | |
| opus.date.accessioned | 2018-05-16T18:23:57Z | |
| opus.date.modified | 2018-05-25T10:05:40Z | |
| opus.date.available | 2018-05-16T20:23:57 | |
| opus.subject.dfgcode | 00-000 | |
| opus.organisation.string | FB 08: Physik, Mathematik und Informatik: Institut für Physik | de_DE |
| opus.identifier.opusid | 100001999 | |
| opus.institute.number | 0801 | |
| opus.metadataonly | false | |
| opus.type.contenttype | Dissertation | de_DE |
| opus.type.contenttype | Dissertation | en_GB |
| jgu.organisation.ror | https://ror.org/023b0x485 | |
| Appears in collections: | JGU-Publikationen | |
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