The Laser Calibration System of the JUNO Pre-Detector OSIRIS

Abstract

Die Frage nach der Anordnung der Massen der Neutrinos ist nach wie vor eine der großen ungeklärten Fragen der Neutrinophysik. Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), welches ein Flüssigszintillator-basiertes Neutrinooszillationsexperiment in Südchina ist, soll mit dem Beginn der Datennahme Anfang 2025 dazu beitragen, diese Frage zu beantworten. Um dieses Ziel zu erreichen muss JUNO eine beispiellose Energieauflösung von 3%/ p Evis[MeV] erreichen. Bei einer solchen Messung muss speziell bei der Wahl der Bauteile und Materialien auf Eignung und mögliche Quellen für Untergrundereignisse geachtet werden um diese so weit wie möglich zu reduzieren. Für den Erfolg des Experimentes ist es daher wichtig, die Konzentration von Uran und Thorium im Flüssigszintillator auf eine Konzentration von 10−15g/g zu beschränken. Zur Überwachung dieser Konzentrationsgrenze wurde daher das Online Scintillator Internal Radioactivity Investigation System (OSIRIS) entwickelt. OSIRIS ist ein 18 Tonnen fassender Flüssigszintillatordetektor in dessen Zentrum sich ein 3m˙ x 3m großer Acryltank befindet, welcher in einem 9m x 9m großen wassergefüllten Stahltank untergebracht ist. Ausgestattet mit 76, 20-Zoll großen, Photoelektronenvervielfacherröhren (zwölf davon im Wasser-Cherenkov Muon veto sowie 64 weitere im inneren Detektor), wird dieses System fortlaufend die Qualität des produzierten Flüssigszintillators überprüfen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Laserkalibrationssystem zur Zeit- und Ladungskalibration der Photoelektronenvervielfacherröhren entwickelt, gebaut, charakterisiert und vor Ort installiert. Zusätzlich wurden Teile der Steuerungssoftware von OSIRIS geschrieben. Die vorliegende Arbeit wird den Aufbau des Laserkalibrationssystems, seine Steuerung sowie die Resultate der Charaterisierungsmessungen des Systems präsentieren. Darüber hinaus werden erste Analysen von Daten, welche mit dem Laserkalibrationsystems von OSIRIS aufgenommen wurden, gezeigt. Eine Übersicht über die im Rahmen dieser Arbeit geschriebenen Steuerungsprogramme wird dann im letzten Kapitel gegeben.

Answering the question about the ordering of the neutrino masses is one of the large unanswered questions of neutrino physics. A candidate to answer this question is the Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), which is a large 20 kt liquid scintillator based neutrino oscillation experiment located in southern China that will begin data collection in 2025. To achieve this goal, JUNO requires an unprecedented energy resolution of 3%/ p Evis[MeV]. In such a measurement, reducing radioactive backgrounds that might mimic neutrino signals plays a crucial role. Therefore, keeping the concentration of uranium and thorium at a level of 10−15 g/g is crucial to the success of the experiment. To monitor this purity of the liquid scintillator during the filling phase of JUNO, the Online Scintillator Internal Radioactivity Investigation System (OSIRIS) was introduced. OSIRIS is an 18 t liquid scintillator pre-detector of JUNO, featuring a 3m x 3m acrylic vessel housed in a 9m x 9m water-filled steel tank. Equipped with 76 20-inch photomultiplier tubes (twelve in the water Cherenkov muon veto and 64 in the inner detector), this system will be used to continuously monitor the produced liquid scintillator’s purity. In the scope of this work, a laser calibration system responsible for the timing and charge calibration of the photomultiplier tubes of OSIRIS was developed, built, characterized, and installed. In addition, parts of the slow control system of OSIRIS have been produced. This thesis will present the schematic of the laser calibration system, its control software, as well as the results of the characterization measurements done with the system. Furthermore, analysis of first data taken by OSIRIS with the laser calibration system will be presented. In the last chapter, a description of the parts of the slow control of OSIRIS created in the scope of this work is given.