IceScint : A Scintillation Detector Array for the IceCube IceTop Enhancement = IceScint: Ein Szintillationsdetektor-Feld für die Oberflächen-Erweiterung von IceCube
Creators: name: Huber, Thomas
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: IceCube
SiPM
Photosensor
Scintillation Detector
Cosmic Rays
Extensive Air Shower
Astroparticle physics
Detector development
Data Aquistion

description: Die IceCube Kollaboration wird das Oberflächenexperiment des IceCube Neutrino Observatoriums (IceTop) mit Szintillationsdetektoren (IceScint) erweitern. Diese Arbeit befasst sich mit der Forschung und Entwicklung, der Installation, der Inbetriebnahme und der Charakterisierungsphase der ersten IceScint Station. Darüber hinaus werden der naturwissenschaftliche Hintergrund, die physikalischen Möglichkeiten dieser Erweiterung und erste Luftschauer-Messungen mit IceScint diskutiert. Ein vollständiges Array aus diesen Detektoren wird die Vetomöglichkeiten für die Suche nach hochenergetischen astrophysikalischen und kosmogenen Neutrinos von IceCube erhöhen. Zusätzlich wird es die Möglichkeiten zur Vermessung der kosmischen Strahlung im Energiebereich von 100 TeV-1 EeV erheblich verbessern. Darüber hinaus wird es als Forschungs- und Entwicklungsprogramm für ein mögliches zukünftiges großflächiges Oberflächen-Array des IceCube-Gen2 Observatoriums dienen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 3 Prototyp-Stationen mit je 7 Szintillationsdetektoren entwickelt und gebaut, von denen eine Station im Januar 2018 am Südpol installiert wurde. Die anderen beiden Stationen sind als Testanordnung am KIT und als Kalibrierungsstation für tiefe Temperaturen am Physical Science Lab (PSL) in Madison eingesetzt. Jeder Detektor verfügt über 1,5 m² Plastikszintillatoren mit wellenlängenschiebende Lichtleitern, die von Silicon-Photomultipliern (SiPMs) ausgelesen werden. Diese auf Festkörperphysik basierenden Photosensoren sind in der Detektionseffizienz zum Beispiel den klassischen Photomultiplierröhren ähnlich, haben aber wesentliche Vorteile, wie eine robustere Bauweise und niedrigere Betriebsspannungen. Ein Nachteil ergibt sich aus der hohen Temperaturabhängigkeit der Effizienz. Um eine stabile Verstärkung zu gewährleisten wurde eine Temperatur- und SiPM-Vorspannungs Regelschleife entwickelt, die an der IceScint Station am Südpol funktioniert und ein homogen operierendes Detektorarray gewährleistet. Ein substantielles Verständnis der SiPMs konnte durch den Vergleich des IceScint Signalverhaltens mit erweiterten Laborvergleichsuntersuchungen gewonnen werden. Ein neu entwickeltes SiPM-Auslesemodul, IceARM, moduliert und überträgt die Signalformen an die IceTAXI Datenerfassung. Das IceARM Modul wird mittlerweile auch für Outreach Experimente und Studentenpraktika verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die entwickelte Signalkette des IceScint-Systems (Szintillatormaterial, wellenlängenschiebende Lichtleiter, SiPM Auslese, IceARM als analoge Elektronik und IceTAXI als Datenerfassung) ein funktionierendes Konzept ist, um kosmische Luftschauer unter extremen Umweltbedingungen, wie am Südpol gegeben, zu vermessen. Der Betrieb der ersten Station am Südpol hat bewiesen, dass beispielsweise die Herkunftsrichtung einfallender Luftschauer sehr akkurat rekonstruiert werden kann. Die installierten IceScint Stationen zeigen, dass sie die physikalischen Anforderungen einer Oberflächenerweiterung von IceTop erfüllen und der Weg für die vollständige Erweiterung einschließlich zusätzlichen Radioantennen von IceTop damit geebnet ist. Mit dieser Arbeit wurde die Grundlage geschaffen für die am Südpol geplante Installation von 32 Stationen mit je 8 IceScint Detektoren und 3 Radioantennen als neues Oberflächen-Detektorfeld des IceCube Neutrino Observatoriums.