Seminar am IKTP, TU Dresden, 16. Mai Kathrin Valerius

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1 Direkte Neutrinomassenbestimmung mit dem KATRIN Experiment: Systematik und Untergrundunterdrückung Seminar am IKTP, TU Dresden, 16. Mai 2008 Kathrin Valerius Institut für Kernphysik, Westfälische Wilhelms Universität Münster muenster.de ν Massenbestimmung aus der Kinematik des Tritium β Zerfalls Das KATRIN Experiment Systematische Unsicherheiten und Untergrundquellen Drahtelektrodensystem für das Hauptspektrometer Eliminierung von Teilchenfallen Zusammenfassung & Ausblick

2 Einführung: Neutrinomassen atmosphärische ν solare ν Reaktor ν Neutrinomischung: να = Σ Uαi νi m2ij = m2i m2j 0, aber keine absoluten Werte für mi! 'flaches' Universum: Ω = 1 Kosmologie Elementarteilchenphysik relic neutrinos (Urknall): Nν = 109 NB, nν = 336/cm3 Oszillationen Beschleuniger ν Neutrino Flavor p, He,... 2

3 Methoden zur Neutrinomassenbestimmung β Zerfall: absolute ν Masse modellunabhängig, Kinematik Status: mβ < 2 ev (Mainz, Troitsk) 0νββ Zerfall: effektive Majorana ν Masse Status: Potential: mee < 0.35 ev Potential: mee < 0.03 ev mβ < 0.2 ev e.g.: KATRIN, MARE mβ ν Art (Dirac/Majorana), Linie bei E0 e.g.: CUORICINO > CUORE, NEMO3 > SuperNEMO, GERDA, EXO 200 > EXO, COBRA, MAJORANA,... Absolute ν Massenskala mee Σ m(νi) Kosmologie: heiße dunkle Materie Ω ν modellabhängig, Analyse von LSS Daten Status: Σ m(νi) < 0.7 ev Potential: Σ m(νi) < 0.07 ev e.g.: WMAP, SDSS, LSST, PLANCK 3

4 Tritium β Zerfall und Neutrinomassen Entwicklung der Tritium β Zerfalls Experimente Fortschritte in der Entwicklung der Instrumente: magnetische vs. elektrostatische Spektrometer Troitsk: gasförmige T2 Quelle Mainz: kondensierte T2 Quelle Mainz: m2(ν) = ( 0.6 ± 2.2 ± 2.1) ev2 m(ν) < 2.3 ev (95% C.L.) C. Kraus et al., Eur. Phys. J. C 40 (2005) ev KATRIN Sensitivität 4

5 Tritium β Zerfall und Neutrinomassen β Zerfall: (A, Z) (A, Z+1)+ + e + ν e Energiespektrum der Zerfallselektronen: rel. rate [a.u.] dn p Ekin m e dekin 1 i, j P i Uej 2 E0 Vi Ekin E0 V i Ekin 2 m 2 j Elektronenanregungen im Endzustand Messgröße: m2(νe) := Σ Uei 2 m2(νi) theoretisches 3H β Spektrum nahe E0 Anforderungen: mν = 0eV ~ ! mν = 1eV Ekin E0 [ev] geringe Endpunktenergie Tritium 3H (Rhenium 187Re) sehr gute Energieauflösung MAC E Filter hohe Luminosität (Bolometer für 187Re) sehr niedriger Untergrund Tritium: Q Wert (12) kev T1/2 = 12.3 a 5

6 Spektrometer vom Typ des MAC E Filters Magnetic Adiabatic Collimation with Electrostatic Filter A. Picard et al., Nucl. Instr. Meth. B 63 (1992) scharfe Transmissionsfunktion adiabatische magnetische Führung der e Energiefilterung durch elektrostat. Feld: nur e mit E > qu transmittiert μ = E / B = const. E E im inhomog. Magnetfeld Energieauflösung E = E Bmin/Bmax normalized transm. function 0 θstart = KATRIN: E = 0.93 ev 6

7 Das KATRIN Experiment Überblick Momentan im Aufbau am FZ Karlsruhe Technical Design Report ik.fzk.de/katrin Vorspektrometer (MAC E) Retardierungspot kv Flussreduzierung auf 103 e /s p < mbar Windowless Gaseous Tritium Source (WGTS) geschlossener T Kreislauf 2 qinj = 4.7 Ci/s e Fluss zu Spektrometern: 1010 e /s Differentielle Pumpstrecke e durch starke Magnetfelder geführt T durch TMPs in 'Knicken' 2 eliminiert Hauptspektrometer (MAC E) 1 ev Auflösung bei 18.6 kev 24 m lang, 10 m Durchmesser ~200 t Edelstahl Luftspulensystem, Innenelektrode p < mbar 12 TMPs, > 3 km Getterstreifen 24 m Kryo Pumpstrecke T = 4K Argonschnee als Kryopumpe Elektronendetektor ~150 pixel ~ 1 kev Auflösung passiver + aktiver Vetoschild 7

8 Quellen systematischer Unsicherheiten bei KATRIN 1. inelastische Streuung von e innerhalb der WGTS erfordert Kalibrationsmessungen mit e gun, response function fres Entfaltungstechniken einige Beiträge jeweils mit σ(mν2) ev2 2. Fluktuationen der WGTS Säulendichte (gefordert: < 0.1%) Rückwärtiger Monitordetektor, Laser Raman Spektroskopie, Temperaturstabilisierung T = 30 K, e gun Messungen 3. Transmissionsfunktion ortsauflösende e gun Messungen, Multi Pixel Detektor 4. HV Stabilität des Retardierungspotentials: ~3 ppm erforderlich gesamter syst. Fehler σsyst, tot = ev2 Präzisions Spannungsteiler (PTB), Monitorspektrometer 5. WGTS Aufladung durch zurückbleibende Ionen (MC: φ < 20 mv) Injektion niederenergetischer (mev )Elektronen von Rückseite; Messung der Ionenkonzentration 6. Elektronen Endzustandsverteilung der Tochtermoleküle zuverlässige quantenchem. Berechnungen 8

9 Statistische Unsicherheit und Sensitivität auf m(ν e) Bestimmung von E0 Bestimmung des Untergrundes b durch Messung bei E > E0 höchste Sensitivität bzgl. m2(νe) knapp unterhalb E0 Untergrund b Bestimmung des Endpunktes E0 durch Messung des Spektrums in breiterem Energiebereich m2(νe) Intervall [E0 30 ev, E0 + 5 ev], 3 Jahre effektive Messzeit: σstat = ev2 σstat σsyst optimierte Messzeitverteilung der Potentialschritte m(νe) < 0.2 ev (90% C.L. Obergrenze) oder m(νe) = σ, m(νe) = σ 9

10 Energiekalibration und HV Überwachung T2 oder Kalibrationsquelle Vorspektrometer Hauptspektrometer Detektor p < mbar HV Teiler / Kalibrationsquellen Überwachung monoenergetisch stabil und reproduzierbar nukl./atomarer Standard (83mKr) < 1 ppm/monat Monitorspektrometer mν2 = 2 σ2 (nicht maßstäblich) Beitrag zum syst. Fehler: mν ev2 σ < 60 mev 3 ppm Stabilität in 60 d 10

11 Elektromagnetisches Design des KATRIN Hauptspektrometers Designoptimierung mittels Computersimulationen: (1) sehr gute Energieauflösung, gegeben durch Magnetfeldverhältnis: Bmax E = E Bmin = A analys. Asource, eff = 20000, = B da = const. Querschnitts (2) adiabatische Transformation E EⅡ: konstantes = E / B: fläche! Spektrometerlänge! geringe Änderung B/B über eine Zyklotronschrittlänge Form, Feldgeometrie! (3) Transmissionseigenschaften normale Transmission Spektrometer eingang zu frühe Retardierung Analysierebene 11

12 Elektromagnetisches Design des KATRIN Hauptspektrometers (4) Feldhomogenität in der Analysierebene: Faktor ~2 durch Luftspulensystem U 0.5 V (5) ü B/B 20% ü Fallen für geladene Teilchen vermeiden! (Untergrundzählrate...) 12

13 Hauptspektrometer Modellzeichnung Ports f. HV Zuführungen Innenelektrode, Ø 200 mm beamline Öffnungen Ø 500 mm Haltestruktur (ein Ende fixiert, eins gleitend gelagert) Heiz Kühl Leitungen 20 C C 3 Zugänge Ø 1700 mm 12 TMPs, Getter Montage Innenel. 13

14 Ankunft des Hauptspektrometertanks Eggenstein bei Karlsruhe, Forschungszentrum Karlsruhe,

15 Vakuum und Hochspannungstests am Hauptspektrometer Nach Ausheizen (mit nur 6 von 12 TMPs): a) p = mbar (Pumpleistung wird um 2 Größenordnungen erhöht durch Installation von NEGs) b) Ausgasrate kompatibel mit KATRIN Anforderung Zielwert: q < mbar l/(s 170 C (Endtemperatur 350 C) therm. Isolierung HV Test (U Karlsruhe, ): UDC= 18.6kV, t = 60min UDC= 18.6kV, t = 120min UDC= 36.0kV, t = 15min UDC= 45.0kV, t = 60sec 15

16 Wozu eine Innenelektrode? μ e kosm. Strahlung, radioaktive Einschlüsse im Material Elektronenuntergrund im Bereich der Endpunktenergie 650 m2 Oberfläche des Hauptspektrometers 105 μ / s + Kontamination magnetische Abschirmung: Unterdrückungsfaktor aber: erwartete β Signalrate O(10 mhz) zusätzliche Untergrundunterdrückung erforderlich! 16

17 Wozu eine Innenelektrode? Abschirmung von Untergrundelektronen durch Drahtelektrode auf neg. Potential U δu Prinzip am Mainzer MAC E Filter getestet δu ~ 200 V: Untergrundunterdrückung um Faktor >10 mit einlagiger Drahtelektrode weitere Tests am KATRIN Vorspektrometer μ U e- l s U-δU d röntgeninduzierter Untergrund röntgeninduzierter Untergrund mit einfacher Drahtelektrode bei 100V 1.6 mhz total background rate 2.8 mhz Diplomarbeit B. Ostrick (U Mainz, 2002), Dissertation B. Flatt (U Mainz, 2004) 17

18 Technisches Konzept der doppellagigen Drahtelektrode für das Hauptspektrometer.50 m 1 ca m Motivation für Zwei Lagen System: Untergrundabschirmung: kleiner Drahtdurchmesser elektr. Feldstärke (Dipolmodus!): großer Drahtdurchmesser 18.4 kv 18.5 kv 220 mm 18.6 kv 25 mm Ø 0.3 mm Ø 0.2 mm Untergrundunterdrückung modularer Aufbau: je 2 Kämme und 3 4 Längsstreben Drähte eingespannt mittels Keramikisolatoren 2nd layer: 0.2 mm erlaubt hohe mechan. Präzision! 18

19 Feldberechnungen zum Design der Drahtelektrode verschiedene Ursachen für Beeinträchtigung des el. Potentials: Längsstreben auf 18.5 kv (+100 V gegenüber innerer Lage) abgeschirmt durch Drähte auf 18.6 kv, nur geringe Störung im Flussschlauchinneren Kämme auf 18.5 kv, Spitzen nicht voll abgeschirmt durch Drähte! Lücken zwischen benachbarten Modulen in axialer (z ) Richtung Modulgrenze 19

20 Feldberechnungen zum Design der Drahtelektrode Retardierungspotential Longitudinale kinet. Energie EII Elektron mit geringem Überschuss ε = Ekin qu0 äußerste noch auf Detektor geführte Feldlinie 15 mm Lücke 2 mm Lücke EII U Position entlang Spektrometer Radius (z = 0) ohne Abdeckung der Modullücke: mit Abdeckung: z = 0: Analysier ebene Position entlang Spektrometer Längsachse U > 3 V U 1.3 V EII 4 ev EII < 1 ev 20

21 Simulationen zu Fertigungs /Montagetoleranzen Computersimulationen: Was passiert, wenn die Drähte innerhalb eines Moduls unter ihrem Eigengewicht durchhängen? Durchbiegung < 0.2 mm auf 1.80 m Drahtlänge erlaubt!... die Drähte innerhalb eines Moduls fehlpositioniert sind? strenge QA erforderlich!... Haltepunkte der Module falsch positioniert werden? Toleranzausgleich durch Montagesystem! (FZK)... der Tank baubedingt von der Idealform abweicht? Halterung muss Abweichungen ausgleichen! (FZK) 21

22 Qualitätssicherungsmaßnahmen Vor Beginn der Produktion: Materialprüfung Drähte: Radioaktivität, µ, Oberflächenqualität, r Elastizität, therm. Verhalten, Reißfestigkeit Edelstahlblech für Kämme und Längsstreben: µr, therm. Verhalten, Ausgasrate, Oberflächenqualität Prototyptests Drahtspannung, Ausheizverhalten (UHV Ofen), Ausgasrate, Hochspannungsfestigkeit, Transport Während der Produktion: QA für einzelne Module Reinigung aller Bauteile in automatisierter Ultraschall Anlage Vermessung Kammgeometrien, Drahtspannung/Durchhang Kontrolle aller HV Verbindungen, HV Festigkeit Datenbank: alle Fotos und Testergebnisse Belastungstest kontrolliertes Auslängen aller Drähte im Modul 22

23 Übersicht: Elektrodenproduktion in Münster flacher Konus: 3 x 20 Module Transport der ersten Module von Münster nach Karlsruhe April 2008 Zylinder: 5 x 20 Module Gesamtanzahl: 16 steiler Konus: 1 x 10 Module 1 x 4 Module 248 Module Drähte, Keramiken,... 23

24 Installation und Halterung der Drahtelektrode Gerüstaufbau mit Montageplattform Tankwand mit M10 Bolzen Schienenringe Modul Modul Schienenführungssystem Montage und Interventionssystem: FZ Karlsruhe 24

25 Untersuchungen zur Penningfalle zwischen Vor und Hauptspektrometer Prinzipbild einer Penningfalle Vorspektrometer U = 18.3 kv Hauptspektrometer Umin= 0 gespeicherte Elektronen 4.5 T Potential entlang einer magn. Feldlinie 5.6 T U = 18.6 kv 3.5 T Simulationsrechnungen Diplomarb. K. Essig, U Bonn, '04: Ionisationsprozesse im Bereich hoher el. Potentiale! θstart = 5 25

26 Falle und Untergrundproblematik Falle wird kontinuierlich gefüllt durch Untergrundelektronen aus beiden Spektrometern gespeicherte Elektronen verursachen primär keinen Untergrund (E < quret) Kühlung: Energieverluste durch Synchrotronstrahlung (Psynch B2), inelastische Stöße Multiplikation der Zahl der e in der Falle durch ionisierende Stöße (trotz p < mbar) Pos. Ionen: Beschleunigung ins Hauptspektrometer Sekundärelektronen Untergrund! benötige a) Mechanismus zur Störung der Fallenbedingungen / period. Leerung b) experimentellen Test an einem nachgestellten VS HS System Mainz Möglichkeiten: 1) elektr. Dipolelektrode ( Halbschale ), 2) Leiterschleife in Messpausen um Falle per ExB Drift zu leeren periodisch durch Falle bewegen (Lorentzkraft: kl. Strom genügt bei großem B) Problem: sehr hohes Magnetfeld (4.5 T) 3) Nadel konstant im Strahl stehen lassen würde zu große Dipolfeldstärke erfordern ( blinder Fleck im Profil der Elektronenquelle) 26

27 Position und Geometrie der Penningfalle modifizierter KATRIN Aufbau seit 2007: Transportsektion (ca. 1 m lang) und ein Spektrometersolenoid ausgelassen, aber Fallensituation bleibt bestehen! prespec. r (m) flu bl xtub ac k: e, T; 0 T c r ed m 2 : 4.5 T main spec. zu beachten: prespec. coil ground electrode Absenkung der B Feldstärke Btransport = 5.6 T Bspectrom. = 4.5 T weniger Synchr. kühlung! z (m) verkürzter Abstand zwischen Vor und Hauptspektrometer weniger Synchr. kühlung! 27

28 Testaufbau am Mainzer MAC E Filter Mainzer Spektrometer als Modell des KATRIN Hauptspektrometers Solenoid B = 6 T HV Elektrode Platte, 18.6 kv wassergekühlter Zusatzmagnet Detektor Vakuumkammer mit HV Elektrode ( Platte ) als Vorspektrometer Solenoid Solenoid + bewegliche Draht schleife ( scanner ) 28

29 E del 18 st 0 ah m l m Testaufbau am Mainzer MAC E Filter Vakuumkammer mit HV Elektrode und Drahtschleife Funktionsgenerator + Verstärker liefern Strom für Drahtschleife zum Spektr ometer wasser gekühlter Magnet supraleitender Solenoid 29

30 Messungen zum 'Drahtscanner' in Mainz 'Version I' Erste Messphase, 06/ /2007 Drahtscanner 'Version I' federgelagerter Kupferdraht, durch Wandanschlag gestoppt Problem: elektron. Rauschen bei Anschlag (Rechteckpuls), Sinussignal funktioniert Modulation der Zählrate durch Drahtscanner beobachtet, erste Penningfallenstudien (Füllung), viele Entladungen! Zweite Messphase, 02/ /2008 Drahtscanner 'Version II'... 'Version II' neues mechan. Design: Kugellager, größerer Drahtdurchmesser... Wandanschlag, aber Kaptonfolie verhindert elektr. Kontakt Zünden und Löschen von Entladungen bei Uplate < Uspec... und 'Version III', 04/2008 Draht gekürzt, keine Wandberührung mehr ( Kapton entfernt) bessere Reproduzierbarkeit der Entladungen und des Löschens stromlose Position: mittig 30

31 Zählratenfluktuationen bei Uspec Uplate (1) (2) Drahtscanner aus Strahl entfernt Drahtscanner aktiv, Sinus, 0.5 Hz keine 'bursts' starke 'bursts' Drahtscanner aktiv, Sinus, 0.15 Hz Drahtscanner aktiv, Sinus, 0.9 Hz keine 'bursts' kleinere 'bursts' (3) Drahtscanner aktiv, Sinus, 0.3 Hz Drahtscanner aus Strahl entfernt weniger 'bursts' starke 'bursts' (4) (5) (6) 31

32 Entladungsaufbau durch Drahtscanner kontrolliert Uspec = kv, Uplate = kv keine externe Füllung der Falle Elektronen von Platte (und Spektrometer) ausreichend! Drahtscanner zunächst mit Rechteckpuls bewegt: Entladung beginnt nach ~250 s Umschalten auf schnellere Sinusbewegung Zählrate zum Löschen der Entladung ~16 khz (nicht totzeit korrigiert) Entladung tritt auf für kleine Potentialunterschiede zwischen Platte und Spektrometer, O(10 V), und größere Unterschiede, O(100 V) 32

33 Entladungsaufbau durch Drahtscanner kontrolliert Rechteck Sinus, ~0.3 Hz t < 270 s: Drahtscanner Rechteckpuls (~0.3 Hz) Sinus, ~0.5 Hz Markierung am Start der Periode 2 Durchläufe pro Periode 33

34 Entladung ohne Drahtscanner Detektor Abschaltung Drahtscanner durch konstanten Strom aus Strahl entfernt: Zählrate ~16 khz (nicht totzeit korrigiert) Detektor Abschaltung starke Entladung nach wenigen Sekunden! 34

35 Erste Ergebnisse der Testmessungen in Mainz Penningfalle zw. Vor und Hauptspektrometer am Mainzer MAC E Filter nachgestellt; diverse Füllmechanismen erprobt (intrins. Untergrund, UV Photo e, Filament) Ergebnistransfer auf realen KATRIN Aufbau nicht trivial, da Feldkonfiguration verschieden (Fallen feedback durch HV Rückplatte, durch B Feldlinien mit Detektor verbunden!) Trotzdem: Erfahrungen in Troitsk & am KATRIN Vorspektrometer, Simulationen des KATRIN VS HS Systems (K. Essig, 2004) legen nahe, dass Entladungen auch ohne Feldlinenverbindung zw. Kathode und Detektor Untergrund erhöhen können! Drahtscanner verschiedener Versionen: zuverlässigeres mechanisches Design Positiver Einfluss auf Entladungsverhalten verifiziert! 35

36 Überblick: Untergrundbeiträge bei KATRIN direkte radioakt. Strahlung aus der Detektorumgebung (Ziel: < 1 mhz im Auswertefenster!) sorgfältige Materialauswahl + passive (Kupfer, Blei) und aktive Abschirmung (Vetosystem) Möglichkeit der Nachbeschleunigung um ~ 30 kv (Signalfenster verschieben) Tritiumzerfall im Hauptspektrometer T2 Partialdruck in den Spektrometern < mbar! gespeicherte Teilchen und Ionisationsprozesse im Hauptspektrometer Anwendung von elektrischen Dipolfeldern, E x B Driftbewegung Sekundärelektronen von Elektrodenoberflächen magnetisch adiabatische Abschirmung (Eigenschaft MAC E Filter) doppellagiges Drahtelektrodensystem zur elektrostatischen Abschirmung Penningfalle zwischen Vor und Hauptspektrometer aktive Mechanismen zur periodischen Fallenentleerung Penning Plasma im Hochfeldbereich (Vor, Hauptspektrometer!) Ziel: Gesamtuntergrundzählrate ~ 10 mhz im Auswertefenster! geeignete Feldformung, Installation abschirmender Zusatzelektroden 36

37 Penningfallenuntersuchungen am Vorspektrometer Tests für Hauptspektrometer: (1) Vakuumkonzept (2) Drahtelektrodensystem (Untergrundreduktion) Setup Ende 2003 Drähte Ø 0.5 mm Konuselektroden Edelstahlblech Innenelektrodensystem 37

38 potential U / V Penningfallenuntersuchungen am Vorspektrometer 5.2 kv tiefe Penningfalle erzeugt starke Entladungen: Diagnostik (ohne Detektor!) HV Einbruch signifikanter Leckstrom Druckanzeige ~3e 9 mbar 1e 6 mbar! Messungen im Jan

39 Penningfallenuntersuchungen am Vorspektrometer Jan. März 2007: Simulationsrechungen Entwurf Zusatzelektrode restliche Fallentiefe ~ 200 V, durch Potentialbelegung weiter reduzierbar z / m Einbau im Sommer 2007, seitdem Messungen mit e Detektor keine starken Penning Plasma Entladungen mehr beobachtet (Leckstrom, HV Stabilität, Druck) Untergrund abhängig von Potentialeinstellungen, Restfallentiefe wichtig für analoges Design der Hauptspektrometer Elektrode 39

40 KATRIN: Status und Ausblick KATRIN: direkte Neutrinomassenbestimmung aus Tritium β Zerfall Sensitivität auf m(ν): 2 ev (Mainz, Troitsk) 0.2 ev Status der Hautpkomponenten Vor und Hauptspektrometer am FZK installiert Produktion der Hauptspektrometer Drahtelektrode in Münster Installation 2008 Testmessungen am Hauptspektrometer ab 2009 Detektorsystem im Aufbau Installation 2009 Tritiumquelle und differentielle Pumpstrecke: im Bau Installation 2009/10 Beginn der Messungen: 2010, 5 6 Jahre Datennahme für 3 Jahre effektive Messzeit Betriebs gebäude T KA alle H RIN Tritiumlabor (TLK) Hauptspektrometer (Nov. 2006) 40

41 Resultate der Neutrino Oszillationsexperimente nicht triviale ν Mischung mit: 0.79 < Ue1 < 0.88 maximal! 0.47 < Ue2 < 0.61 groß! Ue3 < ? ev2 < m122 < ev ev2 < m232 < ev2 m(νj) 0, jedoch m(νj) für Oszillationsexp. nicht direkt zugänglich! 41

42 Mögliche Neutrinomassenszenarien Messgrößen aktueller Neutrino Oszillationsexperimente: Θ23, Θ12, m223, m212? νe νµ ντ m223 m 2 ν1 ν2 relic neutrinos: 336 / cm3 12 ν3 m212 m223 42

43 Energiekalibration und HV Überwachung e.g.: condensed 83mKr calibration source Hochpräzisions HV Teiler nukl./atom. Standard: Konversions e aus 83mKr HOPG (27 K) als Unterlage für kondensiertes Krypton (T1/2 = 1.83 h) Substrateinigung durch Laserablation vorläufiges Ergebnis: reproduzierbar innerhalb < 3 ppm/monat ± 50 mev 3 ppm entwickelt und getestet in Kooperation mit PTB (Braunschweig) Prinzip: bulk metal foil Widerstände, 184 MΩ Gesamtwiderstand Teilereigenschaften: TCR < 0.2 ppm/k (+ stabilisiert auf ± 0.1 K) Reproduzierbark.: < 0.3 ppm Langzeitstabilität 0.6 ppm/monat Spannungsabhängigkeit < 1 ppm/kv (8 32 kv) 1 Monat Dissertation B. Ostrick (2008) Dissertation T. Thümmler (2007) 43

44 Tritiumquelle, Pump und Transportsektion windowless gaseous tritium source (WGTS) 10 m DPS 1R rear system (calibration & monitoring) differential pumping (DPS 2F) cryo pumping (CPS) DPS 1F LARA cell ion traps (FT ICR) WGTS design: tube in long superconducting solenoids, 9 cm, length: 10 m, T = 27 K (stability of ± 0.1%) isotopic purity (T2 vs. DT, HT, HD, H2, D2 concentrations) controlled in line by Laser Raman Spectroscopy and high resolution mass spectrometry ion concentration (T+, T3+, T5+) measured via image currents by FT ICR 44

45 Verschiedene Methoden zur Füllung der Falle natürlicher Füllmechanismus: Untergrund Elektronen aus Platte und Spektrometer zusätzliche Füllung durch: Glühemission aus Filament an der Plattenvorderseite e Photoelektronen aus UV Photonenbestrahlung der Edelstahlplatte UV LED: Poptical 400 µw λcentral = 265 nm schnelle, kurze Pulse möglich Röntgen induzierte Sekundärelektronen aus den Spektrometer Elektroden z.b. f = 1 khz, t = 40 µs ns 45

46 Photoelektronen ausgelöst durch UV Licht gepulst: 50 ns, 1 khz 1 ms Pulsabstand 18 kev 2 x18 kev 3 x18 kev Austrittsarbeit Edelstahl: Zentralwellenlänge UV LED: geschätzte Effizienz: ev 265 nm 4.68 ev wenige Elektronen pro UV Puls (abhängig von Diodenleistung) UV Pulsbreite Elektronenflugzeit: Möglichkeit zur Charakterisierung des Spektrometers 46

47 Motivation: gepulste Photoelektronenquelle Flugzeitsimulation KATRIN Hauptspektrometer für Überschussenergie ε = E qu = 4 ev verschiedene Startwinkel θ können für gleichen Startradius r und gleiche Überschussenergie anhand Flugzeit unter schieden werden! θ = 0 : µs θ = 0 : µs 47

48 Spektrum von UV Photoelektronen bei kev frühe Transmissions verluste bei hoher Spektrometerauflösung: ca kev 1 ev Energieverteilung UV Licht? Energieverteilung Photo e? Verbreiterung durch Austrittsarbeit? Winkelverteilung? ( Feldlinien an Startort)... Entfaltung benötigt! retardation energy 48

49 Auswirkung (unerkannter) systemat. Fehler auf mν 2 dn E 0 E E0 E 2 m2 c 4 de vereinfachte Form des β Spektrums: dn m 2=0 e de gaussförmige Fluktuation: E2 2 2 E0 E dn E0 E 2 m2 de 2 Taylorreihe um mν = 0: 2 2 m = 2 2 Fluktuation σ2 verursacht Negativ Verschiebung von mν2 Beispiel: mν2 < 0,007 ev2 σ < 60 mev U = 3 10 U ppm Langzeitstabilität gefordert 49

50 Endpunktenergie in atomarem und molekularem Tritium 50

51 Korrelation zwischen E0 und m2(ν e) 3σ 2σ 1σ 10 m Spektrometer 3 Jahre Messintervall 20 ev m2(νe) mit E0 aus fit mehr als Faktor 2 Gewinn in Sensitivität bzgl. m2(νe) durch bekannten Endpunkt E0 aus externer Messung! 51

52 Messintervall und systemat. Fehler Kleines m(ν) kleines Auswerte Intervall unterhalb Endpunkt E0 Elektronen-Anregungszustände spielen keine Rolle ( Eexc > 27 ev) 1eV Inelastische Streuung in T2 ist gering ( Einel. > 12 ev Messintervall 25 ev: 2%) Wohldefinierter Energie Endzustand (ähnlich wie Kryo Bolometer bei 187Re) nur gültig bei scharfer Transmissionsfunktion des MAC E Filters ohne 'Ausläufer' 52

53 Untersuchungen zur Penningfalle zwischen Vor und Hauptspektrometer Schnittstelle Vor /Hauptspektrometer: hohe B Feldstärke (4.5 T) neg. Potential auf beiden Seiten entlang der Achse Falle für neg. geladene Teilchen! 53

54 Das Detektorsystem task: detection of transmitted β decay electrons ( 1 kev energy resolution & high efficiency), record radial profile of flux tube aim: minimise background & reduce systematics by post acceleration (~ 30 kv) shift signal window to lower background smaller backscattering probability detector magnet B = 3 6 T flux tube design: segmented Si PIN diode array ~150 pixels with A=100 cm² post acceleration electrode low level detector shielding & veto 54

55 Das Detektorsystem input model for GEANT4 simulations: s.c. magnet coil cm ~ stainless steel vacuum tube, beam line post acceleration electrode move away from common γ lines ceramics HV insulator passive shielding outer shield (lead, 3 cm) and inner shield (copper, 1 cm) reduce bg from outside sources active veto shield (plastic scintillator, 1 cm) tag unwanted cosmic ray events and secondary particles simulated detector: 500 µm silicon wafer, 50 mm radius veto cuts: E > 2 MeV deposited in scintillator, 2 hits in scintillator, detector hit within 1 µs goal: achieve 1 mhz detector background as contribution to overall 10 mhz background rate M. Leber, UW Seattle 55

56 Prinzip der Drahtspannungsmessung optischer Sensor σx = mm σy = mm 56