Acceptance tests of PMTs for the mDOM of the IceCube Upgrade

Abstract

IceCube ist das bislang größte Neutrinoteleskop und besteht aus 5160 Digital Optical Modules (DOMs), die in einer Tiefe von bis zu 2450 m im Eis am geografischen Südpol eingefroren sind. Das IceCube Upgrade ist für die Feldsaison 2025/26 geplant. Im Rahmen dieses Upgrades werden etwa 700 neue optische Sensormodule, darunter Kalibrier- und Testmodule, im Zentrum des bestehenden IceCube-Detektors installiert. Eine dieser neuen Entwicklungen ist das Multi-PMT Digital Optical Module (mDOM), das 24 Photomultiplier tubes (PMTs) pro Modul kombiniert. Die PMTs sind die primären Detektionseinheiten in IceCube und müssen vor ihrem Einbau getestet werden. Im Zuge der Messkampagne wurden über 10 000 PMTs an zwei Standorten getestet. Während der Tests wurde bei fast allen Einheiten eine deutlich höhere Dunkelrate als gefordert festgestellt. Diese Abweichung konnte auf eine erhöhte Kontamination durch radioaktive Isotope in der Glasummantelung der PMTs zurückgeführt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Teststand entwickelt, konstruiert und in Betrieb genommen, um Massentests der PMTs zu ermöglichen. Das Design mit seinen einzelnen Komponenten, die Messverfahren, die Herausforderungen bei der Inbetriebnahme des Aufbaus in Dortmund sowie die Testergebnisse der PMTs werden vorgestellt.

IceCube is the largest neutrino telescope to date and consists of 5160 Digital Optical Modules (DOMs) embedded up to 2450 m deep within the ice at the geographic South Pole. The IceCube Upgrade is scheduled for installation during the 2025/26 field season. During the upgrade, approximately 700 new optical sensor modules, including calibration and test devices, will be installed at the center of the existing IceCube detector to enhance detection capabilities and improve precision measurements. One of these new designs is the Multi-PMT Digital Optical Module (mDOM) combining 24 photomultiplier tubes (PMTs) per module. As PMTs serve as the primary detection units in IceCube, testing is required to ensure their performance meets specifications. Over 10 000 PMTs were tested at two independent sites during this campaign. A significantly higher dark rate than specified was identified in almost all units during testing. This discrepancy was traced back to elevated contamination levels of radioactive isotopes in the glass envelope of the PMTs. In this work, a test bench was developed, constructed, and commissioned to facilitate large-scale PMT testing. The design, procedures, challenges, and results are presented.