Eine Suche nach Doppelbeta-Zerfaellen von Cadmium-, Zink- und ...

A. Das COBRA-Experiment
COBRA untersucht Doppelbeta-Zerfälle in CdZnTe-Kristallen, die in Abschnitt A.1 beschrieben
werden. Wie bei allen Experimenten zur Neutrinophysik ist mit sehr niedrigen
Ereignisraten zu rechnen. Die Reduzierung des Untergrundes ist daher von entscheidender
Bedeutung. Zur Abschirmung kosmischer Myonen ist das COBRA-Experiment
im Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), einem Untergrundlabor in den italienischen
Abruzzen, aufgebaut worden. Darüber hinaus ist eine Abschirmung des Experimentes
innerhalb des Labors notwendig, um weitere Untergrundereignisse zu unterdrücken.
Diese wird in Abschnitt A.3 erläutert. Zur Auswertung der Messungen ist es
notwendig, sowohl den betrachteten Zerfall als auch die Untergrundereignisse zu simulieren.
Die verwendeten Simulationsprogramme werden in Abschnitt A.5 erklärt.
A.1. Die CdZnTe-Halbleiterdetektoren
Die beim COBRA-Experiment verwendeten Halbleiterkristalle bestehen aus einem Cadmium-,
Zink-, Tellur-Isotopengemisch und sind 1 cm 3 groß (siehe Abb. A.1). Sie können
unter Hochspannung (O(1000 V)) betrieben als Detektoren verwendet werden. Da der
spezifische Widerstand bei Raumtemperatur ca. 10 10 Ω·cm beträgt, ist der Leckstrom
sehr niedrig und die Kristalle müssen nicht gekühlt werden.
Einfallende Teilchen erzeugen Elektronen-Loch-Paare. Im feldfreien Fall bewegen sich
die Partner relativ frei im Halbleiter und besitzen ähnliche Lebensdauern, bevor sie
rekombinieren. Jedoch sind die Elektronen im Vergleich sehr viel mobiler. Wird ein
elektrisches Feld angelegt, driften die Elektronen zur Anode und die Löcher zur Kathode.
Die Anzahl der dort auftreffenden Ladungsträger ist proportional zur Energie des
eingefallenen Teilchens. Planare Elektroden erzeugen ein homogenes Feld im Inneren
des Kristalls. Daher driften in einer festen Auslesezeit von unterschiedlichen Orten im
Kristall bei gleicher Primärenergie verschieden viele Löcher zur Kathode. Zur Rekonstruktion
der ursprünglich deponierten Energie werden die Signale beider Elektroden
benötigt. Aufgrund der Ortsabhängigkeit des Kathodensignals verschlechtert sich die
Energieauflösung erheblich, bzw. ist eine zuverlässige Auslese nicht möglich.
Dieser Effekt kann mit Coplanar Grid Anoden kompensiert werden [21], deren Kammstruktur
in Abbildung A.1 auf dem CdZnTe-Detektor erkennbar ist. Die Anode ist in
einen aktiven Bereich (collecting anode) auf Erdpotential und einen nicht-aktiven Bereich
(non collecting anode), der auf leicht negativem Potential liegt, unterteilt. An
der Kathode liegt eine negative Hochspannung an (O(1000 V)). Der Potentialverlauf
A1