Kurzfassung
Das Ziel des COBRA-Experiments ist die Messung des neutrinolosen
Doppelbetazerfalls und die damit verbundene Bestimmung der effektiven
Majoranamasse des Neutrinos. Um konkurrenzfähig
gegenüber anderen Experimenten zu sein, muss eine
Untergrundrate in der Größenordnung von
10e−3 Ereignissen/kg/keV/yr erreicht werden, was ein
herausforderndes Kriterium ist. Diese Doktorarbeit beschäftigt
sich mit der Entwicklung
einer Abschirmung und der Berechnung der zu erwartenden
Gesamtuntergrundrate für das COBRA-Großexperiment.
Insgesamt beinhaltet das aktuelle Design für ein
Großexperiment 13824 6cm³ CdZnTe Detektoren.
Für die Entwicklung der Abschirmung wurden einzelnen und
mehreren Materialien im Kombination untersucht und das Design
bezüglich hochenergetischer Myon-induzierter Neutronen
optimiert. Als bestes Design wurde eine Kombination aus 10cm
Bor-dotiertem Polyethylen als äußerster Schicht,
20cm Blei und 10cm Kupfer als innerster Schicht bestimmt. Es zeigte das
beste Ergebnis in Bezug auf Moderation und Absorption von Neutronen,
sowie auf (n,γ) Selbstabschirmungseffekte. Dies
führte zu einer vernachlässigbaren Untergrundrate von
weniger als 2·10e−6 Ereignissen/kg/keV/yr.
Darüber hinaus ist die Abschirmung mit einer Dicke von 40cm
kompakt und kosteneffizient. Im nächsten Schritt wurde die zu
erwartende Gesamtuntergrundrate berechnet. Dazu wurden einzelne Teile
des Aufbaus und verschiedene Untergrundquellen, wie natürliche
und menschengemachte Radioaktivität, induzierter Untergrund
durch kosmische Strahlung, sowie thermische Neutronen,
berücksichtigt. Außerdem wurden gemessene Daten vom
COBRA-Demonstrationsaufbau mit Monte-Carlo-Daten verglichen, um
glaubwürdige Kontaminationslimits für einzelne Teile
des
Aufbaus zu bestimmen. Die Berechnung erfolgte konservativ, um eine
Unterschätzung zu verhindern. Darüber hinaus wurden
die Beiträge bezüglich der einzelnen Teile des
Experimentenaufbaus und der einzelnen Untergrundquellen untersucht. Der
Hauptbeitrag zur Gesamtuntergrundrate stammt von der Delrin-Halterung,
dem Glyptallack gefolgt von der Leiterplatte für die
Hochspannungsversorgung. Die meisten Untergrundereignisse werden durch
α-Teilchen verursacht mit einer Häufigkeit von 99%.
Hinsichtlich Oberflächenereignisse wurde ein Beitrag von 26.8%
bestimmt. Insgesamt wurde eine Untergrundrate von weniger als
54·10e−3 Ereignissen/kg/keV/yr bestimmt, was das
Potenzial des COBRA-Experiments zeigt.
The COBRA experiment aims for the measurement of the neutrinoless
double beta decay and thus for the determination the effective Majorana
mass of the neutrino. To be competitive with other next-generation
experiments the background rate has to be in the order of
10e−3 counts/kg/keV/yr, which is a challenging criterion.
This thesis deals with the development of a shield design and the
calculation of the expected total background rate for the large scale
COBRA experiment containing 13824 6cm³ CdZnTe detectors. For
the development of a shield single-layer and multi-layer shields were
investigated and a shield design was optimized concerning high-energy
muon-induced neutrons. As the best design the combination of 10cm boron
doped polyethylene as outermost layer, 20cm lead and 10cm copper as
innermost layer were determined. It showed the best performance
regarding neutron attenuation as well as (n,γ) self-shielding
effects leading to a negligible background rate of less than
2·10e−6 counts/kg/keV/yr. Additionally, the shield
with a thickness of 40cm is compact and cost- effective. In the next
step the expected total background rate was computed taking into
account individual setup parts and various background sources including
natural and man-made radioactivity, cosmic ray-induced background and
thermal neutrons. Furthermore, a comparison of measured data from the
COBRA demonstrator setup with Monte Carlo data was used to calculate
reliable contamination levels of the single setup parts. The
calculation was performed conservatively to prevent an underestimation.
In addition, the contribution to the total background rate regarding
the individual detector parts and background sources was investigated.
The main portion arise from the Delrin support structure, the Glyptal
lacquer followed by the circuit board of the high voltage supply. Most
background events originate from α particles with a quantity
of 99% in total. Regarding
surface events a contribution of 26.8% was determined. Altogether, a
background of less than 54·10e−3 counts/kg/keV/yr
was determined showing the potential of the COBRA experiment.