Validation of optical sensors for the mDOM of the IceCube Upgrade

Halve, Lasse Yannik; Stahl, Achim; Wiebusch, Christopher

doi:HT030758392

Validation of optical sensors for the mDOM of the IceCube Upgrade

Halve, Lasse Yannik^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Lasse Yannik Halve

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-05-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-05501
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/986971/files/986971.pdf

Einrichtungen

Projekte

05A20PA1 - Verbundprojekt 05A2020 - ICECUBE: Astroteilchenphysik mit dem IceCube Neutrinoteleskop. Teilprojekt 10 (BMBF-05A20PA1) (BMBF-05A20PA1)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
icecube upgrade (frei) ; mass testing (frei) ; neutrino astronomy (frei) ; optical sensors (frei) ; photomultipliers (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das IceCube Neutrino Observatorium ist mit 5160 im Gletschereis am geographischen Südpol eingebetteten optischen Sensoren das größte Neutrinoteleskop der Welt. Mit diesem Teleskop wurde der Fluss von astrophysikalischen Neutrinos entdeckt, und drei Quellen wurden identifiziert: Unsere Galaxis, und die extragalaktischen Objekte NGC 1068 und TXS 0506+056.Während der antarktischen Sommersaison von 2025/2026 werden im Rahmen des IceCube Upgrades 700 neue optische Module mit zusätzlichen Kalibrations- und Testgeräten ins Gletschereis eingelassen werden. Das multi-PMT Digital Optical Module (mDOM) ist ein in Deutschland entwickeltes, getestetes, und gebautes neues optisches Modul, das je 24 Photomultiplier Tubes (PMT) enthält. Die PMTs sind die zentralen Detektoren des Moduls und müssen strengen Qualitätskriterien genügen. Im Umfang dieser Arbeit wurde ein zentraler Messstand für die PMTs der mDOMs entworfen, aufgebaut, und in Betrieb genommen. Die Testkampagne umfasste mehr als 10,000 PMTs, die alle auf Qualität geprüft wurden. Der Messstand, die Messprozeduren, sowie die Ergebnisse der Messungen werden vorgestellt. Während der Messungen wurde festgestellt, dass der Großteil der PMTs signifikant höhere Dunkelraten als spezifiziert aufweist. Dieses Ergebnis wurde intensiv mit dem Hersteller der PMTs diskutiert. Der Ursprung liegt in erhöhten Konzentrationen von radioaktiven Isotopen im Glas der PMTs.

The IceCube Neutrino Observatory is the world’s largest neutrino telescope with 5160 optical sensors embedded in the glacial ice at the South Pole. It has discovered the flux of astrophysical neutrinos and has pinpointed three sources: Our galaxy, NGC 1068, and TXS 0506+056.In the Antarctic summer season of 2025/2026, 700 new optical modules and additional calibration and R&D devices will be deployed, forming the IceCube Upgrade. The multi-PMT Digital Optical Module (mDOM) is a newly designed, tested, and constructed module containing 24 Photomultiplier Tubes (PMTs) each. The PMTs are the central detection units of the mDOM and have to comply with strict quality criteria. This work describes the design, construction, and commissioning of a central testing facility for the PMTs. More than 10,000 PMTs needed to be tested for compliance with quality specifications. The testing facility, the testing procedures, and the results of the testing campaign are presented. A central result of the tests is that most of the PMTs have dark rates significantly exceeding the specifications. This issue has been discussed intensively with the manufacturer. The increaseddark rates result from increased concentrations of radioactive isotopes in the PMT glass.

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