Software and hardware development for the liquid scintillator detector OSIRIS of the JUNO experiment

Vollbrecht, Moritz Cornelius; Stahl, Achim; Ludhová, Livia

doi:HT030974491

Software and hardware development for the liquid scintillator detector OSIRIS of the JUNO experiment = Software- und Hardwareentwicklung für den Flüssigszintillatordetektor OSIRIS des JUNO-Experiments

Vollbrecht, Moritz Cornelius^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Moritz Cornelius Vollbrecht, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Ludhová, Livia (Thesis advisor)^RWTH* ; Stahl, Achim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-02894
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1007027/files/1007027.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flüssigszintintillatordetektoren (frei) ; Hardwareentwicklung (frei) ; JUNO (frei) ; Neutrinophysik (frei) ; OSIRIS (frei) ; Softwareentwicklung (frei) ; Teilchenphysik (frei) ; hardware development (frei) ; liquid scintillator detectors (frei) ; neutrino physics (frei) ; particle physics (frei) ; software development (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) ist ein Flüssigszintillator(FSz)-Neutrinoexperiment in Kaiping, Südchina, das bis Ende 2024 aufgebaut sein wird. JUNO wird sein Hauptziel, die Messung der Neutrinomassenhierarchie mit einer Sensitivität von 3-4$\sigma$, mithilfe sechsjähriger Datennahme erfüllen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss der FSz von JUNO strengsten Radiopuritätsanforderungen genügen. Zur Validierung dieser Anforderungen während des Monate dauernden Befüllens von JUNO mit FSz überwacht das Online Scintillator Internal Radioactivity Investigation System (OSIRIS) die Radiopurität des FSz mittels koinzidenten Zerfällen von $^{214}$Bi-$^{214}$Po / $^{212}$Bi-$^{212}$Po in den respektiven Zerfallsketten von $^{238}$U und $^{232}$Th. Deutsche Arbeitsgruppen sind führend an OSIRIS beteiligt. Diese Arbeit präsentiert Beiträge zur Entwicklung von Hardware und Software für OSIRIS. Der hardwarenahe Teil der Arbeit beschreibt den durch den Autor maßgeblich geleiteten Aufbau einer Ultra-Pure-Water-Reinigungsanlage an der RWTH Aachen sowie das Design einer Halterung für die Photomultiplier Tubes (PMTs) von OSIRIS. Die Reinigungsanlage wurde erfolgreich verwendet, um von deutschen Arbeitsgruppen gefertigte Bauteile für OSIRIS vor dem Transport nach China zu säubern. Die Entwicklung der Halterung wurde mithilfe von Finite-Elemente-Analysen unterstützt. Die Designanforderungen des Halters und die Simulationsergebnisse wurden in Lasttests sowohl an der RWTH als auch 2022 vor Ort in JUNO bestätigt. Der ursprünglich für die intelligent PMTs (iPMTs) vorgesehene Halter musste später angepasst werden, da die iPMTs nach Ankunft in JUNO beschädigt waren und durch ein chinesisches System, die Large PMTs (LPMTs), ersetzt wurden. Während eines Aufenthaltes vor Ort in 2022 führte der Autor ferner Partikelmessungen der Umgebungsluft in OSIRIS und auf Detektoroberflächen durch. Diese Messungen bestätigten, dass a) die Ventilationseinheit von OSIRIS eine Reinraumumgebung gemäß ISO-7 aufrechterhielt und b) der auf den Oberflächen bereits akkumulierte Staub unkritisch für die weitere Zukunft des Detektors war. Die Messungen zeigten zudem, dass eine Reinigung des Detektors die Oberflächenpartikelzahl signifikant reduzierte. Die Kommissionierung eines der Kalibrationsgeräte von OSIRIS, die Automated Calibration Unit (ACU), wurde 2023 vom Autor geleitet. Die ACU besitzt eine radioaktive Multi-Gamma-Quelle ($^{137}$Cs/$^{65}$Zn/$^{60}$Co) sowie eine 435 nm LED, um Timing- und Ladungskalibrationen der LPMTs sowie detektorweite Kalibrationen der Energie- und Vertexrekonstruktionen durchzuführen. Eine $^{40}$K-Quelle dient als Standardkerze im normalen Betrieb und ermöglicht die Überwachung der optischen Eigenschaften des FSz. Während der ACU-Kommissionierung wurden neben Hardware und Software der ACU auch damit verknüpfte Sicherheitsmechanismen sowie die Positionierung der Kalibrationsquellen evaluiert. Die Positionierungskalibrationen erreichten eine Genauigkeit von etwa 4 mm, was die geforderte Genauigkeit von <1 cm sehr gut erfüllte. Insgesamt bereiteten diese Aktivitäten die ACU erfolgreich für den nominellen Betrieb in OSIRIS vor. Die Kalibration von OSIRIS mit der ACU war auch das Kernthema der softwarenahen Arbeiten. Die durchgeführten Studien der Energiekalibration auf Basis von GEANT-4-Simulationen verbesserten Stabilität und Geschwindigkeit der Analysealgorithmen. Aus den Studien ergab sich zudem eine minimal benötigte Eventstatistik von 30k für jedes involvierte Isotop zum Erreichen der benötigen Kalibrationsgenauigkeit. Die Analyse von unterschiedlichen Kalibrationsquellenumhausungen validierte deren Nutzbarkeit in OSIRIS und führte Ende 2022 zur Freigabe der Produktion der Kalibrationsquellen. Zusätzlich untersuchte der Autor erste ACU-Kalibrationsdaten, die mit der LED der ACU aufgezeichnet wurden. Diese Analyse diente dazu, das globale Detektorverhalten zu evaluieren. Identifizierte Unregelmäßigkeiten bei PMTs in der Nähe des LED-Kabels führten umgehend zu weiteren Untersuchungen durch die OSIRIS-Gruppe. Durch die Analyse wurde zudem a) das Grundprinzip zur zeitlichen Angleichung der PMTs und b) das erwartete Verhalten des Detektors für unterschiedliche Beleuchtungsbedingungen bestätigt.

The Jiagmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) is a next-generation liquid scintillator (LS) neutrino experiment currently under construction near Kaiping, Southern China. The construction of JUNO will end in 2024. JUNO will accomplish its main goal with six years of data-taking: the determination of the neutrino mass ordering with a sensitivity of 3-4 $\sigma$. To achieve this goal, the LS used in JUNO must meet stringent requirements regarding its radiopurity. For validation of these requirements during the months-long filling of JUNO, the Online Scintillator Internal Radioactivity System (OSIRIS) monitors the LS radiopurity via $^{214}$Bi-$^{214}$Po / $^{212}$Bi-$^{212}$Po coincident decays in the respective decay chains of $^{238}$U and $^{232}$Th. In OSIRIS, German workgroups have a leading role. This thesis presents contributions to the development of both hardware and software for OSIRIS. The hardware-focused part of the thesis details the author's construction of an ultrapure-water-based cleaning facility at RWTH Aachen as well as the design of a holder structure for OSIRIS's photomultiplier tubes (PMTs). The cleaning facility was used successfully to prepare many German working groups' contributions prior to their shipment to China. The holder development was aided by simulations based on finite element analysis. Both holder design requirements and simulation results were confirmed in load tests of the holder structure, first at RWTH and later again on-site at JUNO in 2022. The holder as originally planned for the intelligent PMT system (iPMT) had to be adapted at JUNO to accommodate the Chinese Large PMT system (LPMT), because the iPMTs were found to be non-functional upon arrival at JUNO. During the on-site mission in 2022, also studies of airborne and surface dust levels within the OSIRIS detector were carried out by the author. The investigations proved that a) OSIRIS's air filtration unit maintained the required ISO-7 clean room environment and b) the accumulated dust on OSIRIS's central vessel was uncritical for the experiment's future. The measurements also showed a substantial decrease in surface particle counts after a subsequent detector cleaning. The commissioning of one of OSIRIS's calibration systems, the Automated Calibration System (ACU), was supervised by the author in 2023 as another part of the hardware-related work described here. The ACU contains a radioactive multi-gamma source ($^{137}$Cs/$^{65}$Zn/$^{60}$Co) and a 435 nm LED to perform calibrations of LPMT timing and charge as well as calibrations of detector energy and vertex reconstructions. A $^{40}$K-source serves as a standard candle during normal operation and is used to monitor the optical properties of the LS. During the ACU commissioning, the ACU hardware and software, the related safety mechanisms, and the positioning of the sources were evaluated. In the positioning calibrations, a precision of $\approx$4 mm was achieved, which is well below the sub-cm requirement of OSIRIS. Overall, the results of the commissioning successfully prepared the ACU for nominal operation in OSIRIS. The calibration of OSIRIS with the ACU was also the key aspect of the software-focused part of the thesis. The presented GEANT4-based energy calibration studies improved the analysis algorithms in terms of stability and speed, while also determining a minimal statistic of 30k events needed for each of the involved radioactive isotopes to reach required precision levels. The analyses of different source capsule designs validated their usability in OSIRIS and led to an approval for the calibration source production in late 2022. Also a first set of ACU calibration data, recorded with the LED of the ACU, was analysed by the author. The analysis focused on evaluating the overall detector performance and identified irregularities for PMTs close to the LED cable, promptly triggering investigations by the OSIRIS group. The analysis also confirmed both the principle of aligning the PMT timings and the expected detector behaviour for different illumination levels.

OpenAccess:
PDF
(additional files)