Development and production of an intelligent PMT readout system for OSIRIS

Wysotzki, Christian; Stahl, Achim; Wiebusch, Christopher

doi:41918

Development and production of an intelligent PMT readout system for OSIRIS

Wysotzki, Christian^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Wysotzki, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Stahl, Achim (Thesis advisor)^RWTH* ; Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-01-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-00743
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/888686/files/888686.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
JUNO (frei) ; OSIRIS (frei) ; PMT (frei) ; intelligent PMT (frei) ; photomultiplier tube (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) ist ein Neutrinodetektor, der sich in aktuell in Südchina im Aufbau befindet. Das Experiment ist darauf ausgelegt substantielle Beiträge zu zentralen ungelösten Fragen der Neutrinophysik zu leisten. Dazu gehören beispielsweise die Bestimmung der Neutrino Massenordnung und Präzisionsmessungen von Neutrino Mischungswinkeln. Um genaue Messungen zu gewährleisten sind sehr geringe radioaktive Verunreinigungen des Detektors, insbesondere des Flüssigszintillators, nötig. Um die Radioaktivität des Flüssigsszintillators zu überprüfen, wird das dedizierte Online Scintillator Internal Radioactivity Investigation System (OSIRIS) gebaut. Es nutzt Photomultiplier Tubes (PMTs) zur Detektion von Licht welches durch radioaktive Zerfälle hervorgerufen wird. Ein neues System, bei der die PMT Ausleseelektronik direkt am PMT befestigt wird, wurde für OSIRIS entwickelt. Dieses System verarbeitet die digitalisierten PMT Signale direkt und wird daher als intelligenter PMT (iPMT) bezeichnet. Der Aufbau des iPMT Systems wird im Detail beschrieben, wobei der Fokus auf der Elektronik liegt. Als Teil dieser Arbeit wurde ein FPGA Design für die Auslese der PMTs und Kontrolle der iPMTs entworfen, implementiert und getestet. Des Weiteren wurde ein FPGA Design für die Synchronisierung der iPMTs untereinander und mit Kalibrationssystemen in OSIRIS entwickelt. Charakterisierende Messungen mit dem Fokus auf zentralen Fähigkeiten des Systems werden vorgestellt. Dies beinhaltet die Evaluation der Synchronisierung, sowie Eigenschaften der Datenauslese. Beispielhaft wird die Performance an einem PMT präsentiert. Abschließend wird der Zusammenbau der Elektronik der iPMTs für OSIRIS beschrieben. Vor dem Export nach China wurde die Funktionalität der iPMTs getestet und die entsprechende Ergebnisse werden präsentiert. Für den Einbau in OSIRIS wurden insgesamt 75 iPMTs erfolgreich getestet.

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) is a neutrino detector currently under construction in South China. The experiment is built to contribute substantially to central unsolved neutrino physics questions. Examples are the determination of the neutrino mass ordering and precision measurements of neutrino mixing angles. An inalienable prerequisite for precise measurements is a high radiopurity of the detector, especially of the liquid scintillator. In order to investigate the radioactivity of the liquid scintillator, the dedicated Online Scintillator Internal Radioactivity Investigation System (OSIRIS) is built. It uses photomultiplier tubes (PMTs) for the detection of light caused by radioactive decays. A new system is developed for OSIRIS which attaches the PMT readout electronics directly at its back. This system directly processes the digitized PMT signals and is therefore denoted as intelligent PMT (iPMT).The design of the iPMT system with a focus on the electronics is described in detail. As part of this thesis, an FPGA design for the PMT readout and the control of the iPMT is implemented and tested. Furthermore, an FPGA design for the synchronization of the iPMTs with each other and with calibration systems in OSIRIS isdeveloped.Characterizing measurements with a focus on central capabilities of the system are presented. This includes properties of the readout chain and an evaluation of the timing and synchronization system. An exemplary evaluation of the performance with a PMT is presented. Concluding, the electronics assembly of the iPMTs for OSIRIS is described. Prior shipment to China, the iPMTs undergo functional verification tests, and the corresponding results are presented. In total, 75 iPMTs are successfully tested for the use in OSIRIS.

OpenAccess:
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