Test of the JUNO 20-inch PMTs during Installation

Resumen Técnico: Prueba de los PMTs de 20 pulgadas de JUNO durante la Instalación

Planteamiento del Problema
El Observatorio de Neutrinos de Jiangmen (JUNO) requiere una resolución de energía del 3% a 1 MeV para determinar el ordenamiento de la masa de los neutrinos. Este rendimiento depende de un Detector Central (CD) y un sistema de Veto instrumentados con más de 20,000 Tubos Fotomultiplicadores (PMTs) de 20 pulgadas. La instalación de estos PMTs presentó un desafío único: los PMTs están dispuestos en una configuración extremadamente compacta con un espacio promedio de solo 3 mm entre unidades adyacentes. Una vez instaladas múltiples capas, reemplazar los PMTs instalados tempranamente se vuelve virtualmente imposible. En consecuencia, existió la necesidad crítica de validar la funcionalidad de los PMTs inmediatamente después de su instalación para identificar y resolver problemas (como fugas de luz o fallos de conexión) antes de que se añadieran las capas subsiguientes, mientras se ganaba simultáneamente experiencia operativa para la futura fase de comisionamiento.

Metodología
Los autores llevaron a cabo siete campañas de prueba distintas entre octubre de 2022 y diciembre de 2024, cubriendo 19,843 de los 20,343 PMTs de 20 pulgadas instalados. El protocolo de prueba involucró los siguientes pasos clave:

• Control del Entorno: Las pruebas se realizaron en un entorno completamente oscuro. Todas las fuentes de luz visible en la sala experimental, los túneles y las habitaciones circundantes fueron apagadas. Se utilizó un PMT de monitoreo dedicado para verificar la ausencia de luz parásita antes de encender el grupo de prueba.
• Incremento de Alto Voltaje (HV): Para mitigar los riesgos derivados de la luz residual o la inestabilidad, el HV se aplicó de manera escalonada (0 V $\to$ 800 V $\to$ 1200 V $\to$ 1600 V $\to$ valores de diseño). En cada paso, el sistema esperó varios minutos para medir la Tasa de Cuenta Oscura (DCR). Si la DCR excedía los 600 kHz, la prueba se pausaba para inspección.
• Adquisición de Datos: Las señales de los PMTs fueron digitalizadas por ADC de Flash de 1 GS/s en ventanas de 1000 ns. Una lógica de auto-disparo en el FPGA de la Unidad de Control Global (GCU) registró las señales que excedían un umbral de 15 cuentas de ADC como cuentas oscuras válidas.
• Alcance del Análisis: El estudio analizó mapas de DCR instantánea, la ganancia de los PMTs, características de la forma de onda (tiempo de subida, tiempo de bajada, FWHM) y espectros de carga derivados de los datos de ruido oscuro.

Contribuciones Clave

• Protocolo de Validación de Instalación: El artículo detalla una estrategia de instalación modular de arriba hacia abajo y un marco de prueba correspondiente que permite la verificación en tiempo real de la funcionalidad de los PMTs en un entorno denso e inaccesible.
• Conjunto de Datos de Rendimiento Integral: Proporciona los primeros datos de rendimiento a gran escala para los PMTs de 20 pulgadas de JUNO (tipos MCP y de díodo) en su configuración final instalada, cubriendo casi todo el arreglo del detector.
• Metodología de Diagnóstico: El estudio demuestra un enfoque práctico para diagnosticar fallos de instalación, identificando específicamente PMTs no responsivos mediante el intercambio de canales para distinguir entre un fallo del PMT y problemas de contacto de la electrónica de lectura.

Resultados

• Éxito de la Instalación: Se instalaron con éxito un total de 20,343 PMTs (17,596 en el CD y 2,747 en el VETO), logrando una cobertura óptica final del 75.14% para el CD, cumpliendo con el requisito de diseño del 75%.
• Diagnósticos Instantáneos: Mapas 3D de DCR en tiempo real confirmaron que la gran mayoría de los PMTs funcionaban correctamente. Cuatro PMTs no mostraron respuesta (DCR cero); el intercambio de canales reveló que dos eran recuperables (indicando problemas de contacto), mientras que los otros dos se consideraron irrecuperables, pero eran demasiado pocos para justificar su reemplazo dada la dificultad de acceso.
• Métricas de Rendimiento:
  • Ganancia: La ganancia promedio se midió en $1.19 \times 10^7$ para los PMTs de tipo MCP y $0.97 \times 10^7$ para los de tipo díodo. Estos valores se desvían ligeramente del objetivo de $1.0 \times 10^7$, lo cual se atribuye a diferencias ambientales (temperatura, efectos de encapsulado, falta de campo magnético terrestre) en comparación con las pruebas previas en almacén.
  • Tasa de Cuenta Oscura (DCR): Las DCR medias oscilaron entre 59 kHz y 85 kHz, significativamente más altas que las $\sim$25 kHz observadas en las pruebas de almacén de Pan-Asia. Los autores atribuyen esta elevación a la luz ambiental residual y al tiempo de enfriamiento insuficiente, señalando que se espera que la DCR disminuya durante la operación oficial una vez que se llene la piscina de agua y se instale la cubierta de plástico negro.
  • Forma de Onda y Carga: Las formas de onda (tiempos de subida/bajada y FWHM) fueron consistentes con los resultados previos de las pruebas de Pan-Asia. Los espectros de carga mostraron picos de $\sim$1.18 pe (MCP) y $\sim$0.98 pe (díodo), con los espectros de MCP exhibiendo la cola larga característica asociada a este tipo de PMT.

Significancia
El artículo afirma que estas pruebas desempeñaron un papel crucial para asegurar la instalación exitosa del detector JUNO. Al verificar la funcionalidad de manera temprana en el proceso, el equipo confirmó que los PMTs funcionaban según lo esperado a pesar de las desafiantes condiciones de instalación. El estudio establece que las desviaciones observadas en la ganancia y la DCR son atribuibles a variaciones en las condiciones de prueba y no a defectos inherentes de los PMTs. Además, la experiencia adquirida de estas campañas proporcionó una base sólida para las fases posteriores de comisionamiento del detector y de toma de datos oficial, que comenzaron en agosto de 2025. Los resultados validan el enfoque de instalación modular y la robustez del sistema de PMTs en su configuración operativa final.