KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für experimentelle Kernphysik
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Erdmagnetfeldkompensation und Feinformung des Magnetfeldes am KATRIN Hauptspektrometer
Jan Reich
Institut für experimentelle Kernphysik
Inhalt
Schule für Astroteilchenphysik 2011 Obertrubach-BärnfelsJan Reich
Das Karlsruhe TritiumNeutrino Experiment KATRIN
MAC-E Filter Prinzip
Luftspulensysteme amKATRIN Hauptspektrometer
Inbetriebnahme:Messungen, Simulationen
Institut für experimentelle Kernphysik
Ziel des KATRIN Experiments ist die Messung der Neutrinomasse
Schule für Astroteilchenphysik 2011 Obertrubach-BärnfelsJan Reich
Ziel: Masse des Elektron-Antineutrinos mit einer
Sensitivität von0.2 eV (90%C.L.)
Methode: Vermessungdes Energiespektrums desTritium-Betazerfalls nahe
dem Endpunkt
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KATRIN muss verschiedene Anforderungen erfüllen
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TritiumHalbwertszeit: t1/2 = 12.3 a
Spektrum Endpunkt: E0 = 18.6 keV
Spektrometer- und Detektorsystem
2Quell- und Transportsystem
Adiabatische Führungvon Signalelektronen
Energieauflösung desHauptspektrometers: ΔE = 0,93 eV
Effektive Untergrundabschirmung
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Eine Übersicht über das KATRIN Experiment
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RearSection
WGTS
2
DPSCPS
UretEe
Vor- und HauptspektrometerDetektor
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Die kinetische Energie der Elektronen wird mit einem Retardierungspotential analysiert
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negatives elektrischesPotential U
z
Retardierungs-potential Uret
Analysierebene0
HochenergetischesElektron: Transmittiert
e-
NiederenergetischesElektron: Reflektiert
e-
MAC-E Filter: Magnetic Adiabatic Collimation with Electrostatic Filter
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Durch adiabatische Kollimation werden die Elektronenimpulse transversal ausgerichtet
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6 T
0,3 mT
4,5 T
Adiabatische Führung:⇒mag. Moment erhalten
μ = E /B = const.⇒Energieauflösung:
200001
max
min BB
E
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Elektrische und magnetische Felder müssen genau aufeinander abgestimmt sein
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Entfernung von der Analysierebene (m)El.
Po
ten
tial
(kV
)
-20
-10
0
1
10-1
10-2
B-f
eld
(T
)
-40 -30 -20 -10 0 +10
Tritiumquelle
Spektrometerd = 9,8 m
6 T
0,3 mT
Magnetfeld muss fürTransmissionsbetrachtung im
Hauptspektrometerauf 1% genau bekannt sein
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Luftspulensysteme beeinflussen das Magnetfeld am Hauptspektrometer
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EMCS: Earth MagneticField Compensation System
Verlust von Signalelektronen
Sekundärelektronen aus Ober-fläche zum Detektor geleitet
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Luftspulensysteme beeinflussen das Magnetfeld am Hauptspektrometer
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LFCS: Low FieldCoil System
Magnetische Abschirmungvon Untergrundelektronen
Adiabatische Führungvon Signalelektronen
Institut für experimentelle KernphysikSchule für Astroteilchenphysik 2011 Obertrubach-BärnfelsJan Reich
Das Erdmagnetfeld wird durch zwei senkrechte Cosinusspulensystem kompensiert
I
I
B
d
p·d
Endparameterp = 0,6
für optimaleHomogenität
cos(Θ) Stromverteilungauf ellipsoider Oberfläche
erzeugt im Volumen einhomogenes Magnetfeld
Inhomogenitäten < 0,6 µTdurch Diskretisierung der Ströme
und zylindrische Geometrie
Vertikale Kompensation erfolgtdurch 16 Schleifen bei ~50 A,
Horizontale durch 10 bei ~10 A
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12,7 m
23,4 m
Das LFCS ist ein System aus 14 axial ausgerichteten Spulen
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Mechanische Ringe mitKabeln instrumentiert
Haltestruktur
Separate Stromversorgungerlaubt präzise Feinformung
des Magnetfeldes
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Die Luftspulensysteme umschließen das KATRIN Hauptspektrometer
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LFCS Spulen
magnetischeFeldlinien
Die Inbetriebnahmemessungen wurden im zentralen Spektrometerbereich durchgeführt
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vermessenesGebiet
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Lasertrackermessungen liefern die erforderliche Ortsauflösung
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Fluxgate Magnetometer,Messbereich 1 mT
Genauigkeit: < 0,95 % pro Komponente
Kooperation mit Geodätischem Institut, KIT
Positions- und Winkel-bestimmung mit Lasertracker:
Δx = 0,12 mm; Δθ = 0,1°
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Die simulierten Magnetfeldwerte sind systematisch niedriger als die Messwerte
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Abweichung AufgrundDrift der Netzgeräte?(5 Monate differenz)
Abweichung AufgrundAufmagnetisierung der
Strukturmaterialien?
Abweichung AufgrundAufmagnetisierung der
Strukturmaterialien?
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Die Differenz zwischen gemessenen und simulierten Werten ist ausreichend gering
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Selbst mit Abweichungenwird Magnetfeld auf 1% genau
in Simulation reproduziert
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Zur Überprüfung wurden Messungen von Strom und Magnetfeld simultan durchgeführt
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LFCS Spulen
magnetischeFeldlinien
Messposition
Messposition
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Der lineare Anstieg der Magnetfeldwerte mit dem Strom schließt eine Magnetisierung aus
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Gleichzeitige Magnetfeld-und Strommessung liefert
Übereinstimmung innerhalbder Messfehler
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Zusammenfassung
Schule für Astroteilchenphysik 2011 Obertrubach-BärnfelsJan Reich
Das Ziel des KATRIN-Experiments ist die Messung der Masse des Elektron-Antineutrinos mit einer Sensitivität von 0.2 eV (95% C.L.)
KATRIN verwendet das MAC-E Filter Prinzip, um das Energiespektrum derZerfallselektronen aus dem Tritium β-Zerfall nahe dem Endpunktgenau zu vermessen
Die Luftspulensysteme am KATRIN Hauptspektrometer kompensieren dasErdmagnetfeld und formen das Magnetfeld.Dadurch werden die Transmissionseigenschaften optimiert und derUntergrund minimiert
Das Feld der Luftspulensysteme im Inneren des Hauptspektrometers lässtsich auf 1% genau mit Simulationen reproduzieren