KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für experimentelle Kernphysik

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


Inhalt

Schule für Astroteilchenphysik 2011 Obertrubach-BärnfelsJan Reich

Das Karlsruhe TritiumNeutrino Experiment KATRIN

MAC-E Filter Prinzip

Luftspulensysteme amKATRIN Hauptspektrometer

Inbetriebnahme:Messungen, Simulationen


Ziel des KATRIN Experiments ist die Messung der Neutrinomasse


Ziel: Masse des Elektron-Antineutrinos mit einer

Sensitivität von0.2 eV (90%C.L.)

Methode: Vermessungdes Energiespektrums desTritium-Betazerfalls nahe

dem Endpunkt


KATRIN muss verschiedene Anforderungen erfüllen


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


Eine Übersicht über das KATRIN Experiment


RearSection

WGTS

2

DPSCPS

UretEe

Vor- und HauptspektrometerDetektor


Die kinetische Energie der Elektronen wird mit einem Retardierungspotential analysiert


negatives elektrischesPotential U

z

Retardierungs-potential Uret

Analysierebene0

HochenergetischesElektron: Transmittiert

e-

NiederenergetischesElektron: Reflektiert

e-

MAC-E Filter: Magnetic Adiabatic Collimation with Electrostatic Filter


Durch adiabatische Kollimation werden die Elektronenimpulse transversal ausgerichtet


6 T

0,3 mT

4,5 T

Adiabatische Führung:⇒mag. Moment erhalten

μ = E /B = const.⇒Energieauflösung:

200001

max

min BB

E


Elektrische und magnetische Felder müssen genau aufeinander abgestimmt sein


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


Luftspulensysteme beeinflussen das Magnetfeld am Hauptspektrometer


EMCS: Earth MagneticField Compensation System

Verlust von Signalelektronen

Sekundärelektronen aus Ober-fläche zum Detektor geleitet


Luftspulensysteme beeinflussen das Magnetfeld am Hauptspektrometer


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


12,7 m

23,4 m

Das LFCS ist ein System aus 14 axial ausgerichteten Spulen


Mechanische Ringe mitKabeln instrumentiert

Haltestruktur

Separate Stromversorgungerlaubt präzise Feinformung

des Magnetfeldes


Die Luftspulensysteme umschließen das KATRIN Hauptspektrometer



LFCS Spulen

magnetischeFeldlinien

Die Inbetriebnahmemessungen wurden im zentralen Spektrometerbereich durchgeführt


vermessenesGebiet


Lasertrackermessungen liefern die erforderliche Ortsauflösung


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°


Die simulierten Magnetfeldwerte sind systematisch niedriger als die Messwerte


Abweichung AufgrundDrift der Netzgeräte?(5 Monate differenz)

Abweichung AufgrundAufmagnetisierung der

Strukturmaterialien?

Abweichung AufgrundAufmagnetisierung der

Strukturmaterialien?


Die Differenz zwischen gemessenen und simulierten Werten ist ausreichend gering


Selbst mit Abweichungenwird Magnetfeld auf 1% genau

in Simulation reproduziert


Zur Überprüfung wurden Messungen von Strom und Magnetfeld simultan durchgeführt


LFCS Spulen

magnetischeFeldlinien

Messposition

Messposition


Der lineare Anstieg der Magnetfeldwerte mit dem Strom schließt eine Magnetisierung aus


Gleichzeitige Magnetfeld-und Strommessung liefert

Übereinstimmung innerhalbder Messfehler


Zusammenfassung


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

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