Die vorliegende Arbeit behandelt die radiometrische Nutzung von Wellenlängenschiebern an Elektronenspeicherringen. Die grundsätzlichen Aspekte der Radiometrie, der technischen Voraussetzungen und des Einflusses von Wellenlängenschiebern auf den Speicherring werden am Beispiel eines bei BESSY installierten Gerätes aufgezeigt. Ein Großteil der Rechnungen wurden mit dem Programm WAVE durchgeführt, das im Rahmen der Arbeit entwickelt wurde. WAVE erlaubt die Berechnung der Synchrotronstrahlung von Wellenlängenschiebern mit einer relativen Unsicherheit von 1/100000. Maschinenphysikalische Eigenschaften eines Wellenlängenschiebers und eine Erzeugenden-Funktion für symplektische Tracking-Rechnungen können ebenfalls mit WAVE berechnet werden. Letztere wurden in den Tracking-Code BETA implementiert. Damit lassen sich die Einflüsse von Insertion Devices auf die dynamische Apertur und die Emittanz des Speicherringes untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studien führten zum Konzept alternierender High- und Low-Beta-Sektionen, die den Betrieb supraleitender Insertion Devices bei BESSY-II ohne signifikante Störung der Speicherringoptik ermöglichen. Um auch die experimentelle Seite der Radiometrie an Wellenlängenschiebern zu untersuchen, wurde ein Programm auf der Basis des Monte-Carlo-Codes GEANT4 entwickelt. Es erlaubt die Simulation der radiometrischen Messung und der Absorptionseigenschaften des Detektors. Mit den entwickelten Programmen wurden erste radiometrische Messungen der PTB analysiert. Ein Vergleich zwischen Messungen und Rechnung zeigt eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit Abweichungen von ca. fünf Prozent für Messungen im Energiebereich zwischen 40 keV und 120 keV hinter einem 1-mm-Kupferfilter. Eine bessere Übereinstimmung wurde im Bereich von 20 - 80 keV ohne Kupferfilter erzielt. In diesem Fall stimmen die gemessenen Daten im Rahmen der systematischen Unsicherheiten von zwei Prozent mit den Rechnungen überein. / Subject of this thesis are the operation of wave-length shifters at electron storage rings and their use in radiometry. The basic aspects of the radiometry, the technical requirements, the influence of wave-length shifters on the storage ring, and results of first measurements are presented for a device installed at BESSY. Most of the calculations are carried out by the program WAVE, which has been developed within this thesis. WAVE allows to calculate the synchrotron radiation spectra of wave-length shifters within an relative uncertainty of 1/100000. The properties of wave-length shifters in terms of accelerator physics as well as a generating function for symplectic tracking calculations can also be calculated by WAVE. The later was implemented in the tracking code BETA to investigate the influence of insertion devices on the dynamic aperture and emittance of the storage ring. These studies led to the concept of alternating low- and high-beta-sections at BESSY-II, which allow to operate superconducting insertion devices without a significant distortion of the magnetic optics. To investigate the experimentel aspects of the radiometry at wave-length shifters, a program based on the Monte-Carlo-code GEANT4 has been developed. It allows to simulate the radiometrical measurements and the absorption properties of detektors. With the developed codes first radiometrical measurements by the PTB have been analysed. A comparision of measurements and calculations show a reasonable agreement with deviations of about five percent in the spectral range of 40 - 60 keV behind a 1-mm-Cu filter. A better agreement was found between 20 keV and 80 keV without Cu filter. In this case the measured data agreed within a systematic uncertainty of two percent with the results of the calculations.

Unter dem geografischen Südpol liegt das IceCube Neutrino Observatorium. Es nutzt einen Kubikkilometer Gletschereis, um Sekundärteilchen aus Neutrinointerkationen zu detektieren. Der Detektor besteht aus insgesamt 5160 optischen Sensoren, die das Cherenkov Licht der relativistischen, geladenen Teilchen messen. Um die Sensitivität und das Detektionsvermögen zu erhöhen sind Vergrößerungen des Detektors mit neuentwickelten optischen Sensoren geplant. Mindestens einer dieser neuen Sensoren soll den Messbereich aus dem optischen Bereich in den UV Bereich erweitern, wobei eine neu entwickelte wellenlängenschiebende Technologie verwendet wird. Um die Verbesserungen dieser neuen Module zu verstehen, wurde ein Kalibrierungsgerät gebaut, getestet und zweimal bei einer in-situ Messung am geografischen Südpol verwendet. Die Messung wurde in dem offenen SPICEcore borehole durchgeführt. In dem Kalibrierungsgerät waren sowohl Lichtquelle, als auch Detektor verbaut. Um die Eiseigenschaften zu vermessen, wurde Licht in möglichst kurzen Pulsen in das Eis gestrahlt. Der Detektor hat nun die Zeitverteilung gemessen, mit der die Photonen wieder zu dem Detektor zurückgestreut werden. Zur Detektion nutzt das Kalibrierungsgerät die gleiche wellenlängenschiebende Technologie, wie die neuentwickelten optischen Module. Die Messung wurde für Wellenlängen zwischen 245 nm und 400 nm an mehreren Tiefen in einem Bereich, in dem auch IceCube liegt durchgeführt. Diese in-situ Messungen sind der erste erfolgreiche Einsatz der neuen wellenlängenschiebenden Technologie. Mit einem likelihood fit wurde die Messung mit einer Simulation verglichen, welche die Absorption und Streuung der Photonen im Eis als Parameter variiert. Mit dieser Analyse konnte für jede Wellenlänge und Tiefe am besten passende Parameter mit Unsicherheiten, bestehend aus statistischen und systematischen Fehlern gefunden werden. Der größte Einfluss auf die Unsicherheiten ist die schlechte Zeitauflösung des Detektors. Die Ergebnisse legen eine hohe Transparenz im tiefen UV-Bereich nahe und erlauben einen tieferen Einblick in die Streuprozesse im antarktischen Eis. / The IceCube Neutrino Observatory lies under the South Pole. It instruments one cubic kilometer of glacial ice to detect secondary particles originating from neutrino interactions. The detector consists of 5160 optical sensors, which measure the Cherenkov light of these relativistic, charged particles. In order to increase the sensitivity and detection range, new extensions with newly developed optical sensors are planned. At least one of these new sensors is supposed to expand the detection range from the optical into the UV range, using a new wavelength shifting technology. To understand the improvements of these new modules, the UV calibration device was built, tested, and deployed twice in in-situ measurements at the geographic South Pole. The measurement was carried out in the open SPICEcore borehole. A light source and a detector were included in the design of the UV calibration device. To measure the ice properties, the light was pulsed in the ice as short as possible. The detector measured the timing distribution of the light getting scattered back. For the detection, the wavelength shifting technology developed for the new optical sensors is used. The measurement was carried out with four wavelengths between 245 nm and 400 nm at several depths, some within the IceCube range. These in-situ measurements successfully applied the new wavelength shifting technology for the first time. Using a likelihood fit, the measurements were compared to a simulation, which varied the absorption and scattering coefficients of the photons in the ice as parameters. With this analysis, a best-fitting set of parameters could be found for each wavelength and depth. The uncertainties are very conservative, consisting of statistical and systematic errors. The most significant influence on the uncertainties is caused by the insufficient time resolution of the detection system. The results suggest a high transparency for the deep UV range and provide a deeper insight into the scattering processes of Antarctic ice.

Das IceCube Neutrino-Observatorium ist ein am geografischen Südpol im Eis installierter Neutrinodetektor. In IceCube werden Neutrinos mit Tscherenkow-Strahlung von Sekundärteilchen aus Neutrino Interaktionen detektiert. Für den Nachfolgedetektor IceCube-Gen2, werden neue und verbesserte Lichtdetektoren gesucht. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines dieser Lichtdetektoren. Dieser basiert auf Wellenlängen schiebenden und Licht leitenden Technologien. Der Detektor mit dem Namen "Wavelength-shifting Optical Module" (WOM) verwendet eine transparente Röhre, mit wellenlängenschiebender Farbe, als passiver Photonendetektor. Das in der Wellenlänge verschobene Licht wird durch Totalreflexion, zu kleinen PMTs an beiden Enden geleitet. Die Auswahl dieses Designs reduziert die Kosten und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis wesentlich, möglicherweise können mit dieser Lösung extragalaktische Supernova in zukünftigen Detektoren beobachtet werden. Als eine Kernkomponente wird die wellenlängenschiebende Röhre ausführlich untersucht. Verschiedene Messaufbauten und Auswertungsmethoden werden entwickelt, um diese im Anschluss zu untersuchen und zu bewerten. Iterative Verbesserungen der Materialien und des Farbauftrageverfahren als auch Messmethoden, resultieren in einer kombinierten Einfang-, Wellenlängenschiebe- und Transporteffizienz von 28,1 +/- 5,4 % der Röhre. Ein Model zur Beschreibung des Lichtverhaltens in der Röhre wird entwickelt um eine Diskrepanz zwischen Theorie und Messung zu untersuchen. Die Kombination zwischen Messung und Model, bestätigt die Aussagekraft des Models und zeigt, dass ein Großteil der Verluste beim Lichttransport zustande kommen. Darüber hinaus werden die physikalischen Eigenschaften des WOM in die IceCube Simulationsumgebung eingebaut. Der Vergleich zu einem Konkurrenzmodul zeigt eine Überlegenheit des WOM um den Faktor 1,05 +/- 0,07. Es werden Vorschläge und Ausblicke für Verbesserungen der Leistungsfähigkeit des WOMs gegeben. / The IceCube Neutrino Observatory is an in ice neutrino detector located at the geographic South Pole. In IceCube neutrinos are detected via Cherenkov light produced by secondary particles in neutrino interactions. For the upgraded detector IceCube-Gen2, new and improved light detectors are sought-after. This work describes the development of one of those light detectors based on a novel combination of wavelength-shifting and light-guiding technology. The detector named the Wavelength-shifting Optical Module (WOM) utilizes a large transparent tube, coated with wavelength-shifting paint as a passive photon detector. The wavelength-shifted light is guided via total internal reflection towards small active light detectors, at each end of the tube. This design reduces costs and improves the signal to noise ratio significantly, thereby potentially enabling extragalactic supernova detections in future detectors. As a core component, the wavelength-shifting tube is extensively investigated. Different measurement setups and evaluation techniques are developed and investigated. Iterative improvement of materials and coating techniques as well as measurement methods currently result in a combined photon capture, shift and transport efficiency of 28.1 +/- 5.4 % for the tube. Those results contrast the theoretical maximum of 74.5 %. A model is developed to describe the light propagation and loss processes in the tube and to understand the discrepancies between theory and measurement. The combination of the measurements with the model, validate the descriptive qualities of the model and show that most of the light is lost during the light propagation in the tube. Additionally, the physical properties of the WOM are included in the IceCube simulation framework. A comparison to a competing module showed that the WOM outperforms by a factor of 1.05 +/- 0.07 in photon detection numbers. Where applicable, suggestions and outlooks are given to enhance the performance of the WOM.