Robust Photomultiplier Tube Frontend Electronics and In-Field Cluster Nodes for the Southern Wide-Field Gamma-Ray Observatory

Im Zuge dieser Arbeit wird ein mögliches Messkettekonzept für das Gammateilchenexperiment SWGO vorgestellt. Das sich in Planung befindliche Projekt (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory) wird sich über ein km2- Feld erstrecken und aus ca. 6000 Wasser-Tscherenkow-Detektoren bestehen, welche jeweils mit Photomultipliern (PMT) ausgestattet sind. SWGO wird in Südamerika in einer Höhe von über 4000 m errichtet, weshalb die Elektronik und Mechanik sehr robust sein müssen. Diese Thesis beschreibt die Entwicklung eines mehrkanäligen und über Ethernet steuerbaren Hochspannungsgerätes. ... mehrDas sogenannte PhantomHV System erzeugt die für die PMTs notwendige Hochspannung und nimmt eine Pulsformung deren Ausgangssignale vor. Durch das modulare Design des Systems wird die Installation und das Austauschen, besonders in rauer Feldumgebung, erleichtert. Dieses Gerät wird evaluiert, optimiert und für eine industriell gefertigte Kleinserie vorbereitet. Darüber hinaus wurde ein Konzept für die Aufbereitung bereits verfügbarer PMTs für den Betrieb in gereinigtem Wasser für ein mögliches technologisch wegweisendes Vorstufenprojekt entwickelt. Ein weiterer wichtiger Teil dieser Arbeit beschreibt ein Konzept für die Verteilung, den Betrieb und die Wartung der Messelektronik im Feld. Hierfür wird ein autonomer und klimageregelter Außenschaltschrank, welcher das PhantomHV System und die Ausleseelektronik in Feld mit Strom versorgt, vorgeschlagen. Zwei Prototypen wurden aufgebaut, einer als Konzeptnachweis und ein zweiter für einen potenziellen Projektstandort in den peruanischen Anden auf 4500 m Höhe.

In this work an electronics proposal for the full measurement chain of the next-generation ground-based gamma-ray observatory SWGO is elaborated. This project will be based on a km2- scale array of roughly 6000 water Cherenkov detectors each equipped with multiple photomultiplier tubes (PMTs) as photosensors. SWGO will be built in South America at an altitude of over 4000 m which requires robust electronics and mechanics. As the main topic of this thesis the development of a remote-controlled multi-channel HV device is described. The so-called PhantomHV system generates high voltage required for the operation of PMTs and shapes their output signal. ... mehrIt has a modular design, making it easy to install and replace system components, especially in the field. This device is evaluated, optimised and prepared for industrial production. Additionally, a concept for refurbishing already available PMTs for operation in purified water for an engineering array has been developed. Another major part of this work describes a concept of how to distribute, operate and maintain the electronics in the detector field. An autonomously running environmentally controlled outdoor cabinet is proposed that houses and provides power to the PhantomHV system and readout electronics in the field. Two prototypes have been built, one as a proof of concept and a second destined for a candidate detector site at 4500 m asl in the Peruvian Andes.