Development of a single photon detector using wavelength-shifting and light-guiding technology

Abstract

Das IceCube Neutrino-Observatorium ist ein am geografischen Südpol im Eis installierter Neutrinodetektor. In IceCube werden Neutrinos mit Tscherenkow-Strahlung von Sekundärteilchen aus Neutrino Interaktionen detektiert. Für den Nachfolgedetektor IceCube-Gen2, werden neue und verbesserte Lichtdetektoren gesucht.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines dieser Lichtdetektoren. Dieser basiert auf Wellenlängen schiebenden und Licht leitenden Technologien. Der Detektor mit dem Namen "Wavelength-shifting Optical Module" (WOM) verwendet eine transparente Röhre, mit wellenlängenschiebender Farbe, als passiver Photonendetektor. Das in der Wellenlänge verschobene Licht wird durch Totalreflexion, zu kleinen PMTs an beiden Enden geleitet. Die Auswahl dieses Designs reduziert die Kosten und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis wesentlich, möglicherweise können mit dieser Lösung extragalaktische Supernova in zukünftigen Detektoren beobachtet werden.

Als eine Kernkomponente wird die wellenlängenschiebende Röhre ausführlich untersucht. Verschiedene Messaufbauten und Auswertungsmethoden werden entwickelt, um diese im Anschluss zu untersuchen und zu bewerten. Iterative Verbesserungen der Materialien und des Farbauftrageverfahren als auch Messmethoden, resultieren in einer kombinierten Einfang-, Wellenlängenschiebe- und Transporteffizienz von 28,1 +/- 5,4 % der Röhre. Ein Model zur Beschreibung des Lichtverhaltens in der Röhre wird entwickelt um eine Diskrepanz zwischen Theorie und Messung zu untersuchen. Die Kombination zwischen Messung und Model, bestätigt die Aussagekraft des Models und zeigt, dass ein Großteil der Verluste beim Lichttransport zustande kommen.

Darüber hinaus werden die physikalischen Eigenschaften des WOM in die IceCube Simulationsumgebung eingebaut. Der Vergleich zu einem Konkurrenzmodul zeigt eine Überlegenheit des WOM um den Faktor 1,05 +/- 0,07. Es werden Vorschläge und Ausblicke für Verbesserungen der Leistungsfähigkeit des WOMs gegeben.

The IceCube Neutrino Observatory is an in ice neutrino detector located at the geographic South Pole. In IceCube neutrinos are detected via Cherenkov light produced by secondary particles in neutrino interactions. For the upgraded detector IceCube-Gen2, new and improved light detectors are sought-after.

This work describes the development of one of those light detectors based on a novel combination of wavelength-shifting and light-guiding technology. The detector named the Wavelength-shifting Optical Module (WOM) utilizes a large transparent tube, coated with wavelength-shifting paint as a passive photon detector. The wavelength-shifted light is guided via total internal reflection towards small active light detectors, at each end of the tube. This design reduces costs and improves the signal to noise ratio significantly, thereby potentially enabling extragalactic supernova detections in future detectors.

As a core component, the wavelength-shifting tube is extensively investigated. Different measurement setups and evaluation techniques are developed and investigated. Iterative improvement of materials and coating techniques as well as measurement methods currently result in a combined photon capture, shift and transport efficiency of 28.1 +/- 5.4 % for the tube. Those results contrast the theoretical maximum of 74.5 %. A model is developed to describe the light propagation and loss processes in the tube and to understand the discrepancies between theory and measurement. The combination of the measurements with the model, validate the descriptive qualities of the model and show that most of the light is lost during the light propagation in the tube.

Additionally, the physical properties of the WOM are included in the IceCube simulation framework. A comparison to a competing module showed that the WOM outperforms by a factor of 1.05 +/- 0.07 in photon detection numbers. Where applicable, suggestions and outlooks are given to enhance the performance of the WOM.