Изграждане на йонен източник и симулация на транспортните свойства на DPS и CPS на KATRIN

Изграждане на йонен източник и симулация на транспортните свойства на DPS и CPS в експеримента KATRIN Магистърска теза на Рудолф Сак във Физическия факултет Институт за експериментална ядрена физика (IEKP) Първи рецензент: Втори рецензент: Ръководител: проф. Г. Дреклин проф. У. Хусеман Д-р F. Glück 31 октомври 2014 г. 28 октомври 2015 г.

Технологичен институт Карлсруе Физически факултет 76128 Карлсруе

Искрено потвърждавам, че работата е извършена независимо, че съм напълно и точно посочил всички използвани помощни средства и че съм идентифицирал всичко, което е взето непроменено или с промени в работата на други. Карлсруе, 29 октомври 2015 г. (Рудолф Сак)

Съдържание 1. Физика на неутрино 1 1.1. История на физиката на неутрино. 1 1.2. Неутринно трептене. 2 1.3. Слънчеви неутрино. 3 1.4. Атмосферни неутрино. 5 1.5. Параметри на физиката на неутрино. 5 1.5.1. Дирак срещу Частици майорана. 8 2. KATRIN 11 2.1. Принципът на измерване KATRIN. 11 2.2. Компоненти на експеримента KATRIN. 11 2.2.1. Източник на тритий (WGTS). 11 2.2.2. Задна секция. 16 2.2.3. Секция на диференциално изпомпване (DPS). 17 2.2.4. Криогенна помпа (CPS). 19 2.2.5. Преспектрометър. 20 2.2.6. Основен спектрометър. 21 2.2.7. Детектор. 23 2.2.8. Мониторен спектрометър. 24 3. Йонен източник за тестване на DPS - ELIOTT II 25 3.1. Мотивация - определяне на йони и блокиране на йони в DPS. 25 3.2. ELIOTT-II, йонен източник за тестване на DPS. 26 3.2.1. Как работи източникът на йони ELIOTT-II. 26 3.2.2. Използвани компоненти и материали. 26 3.2.3. Тестова настройка. 32 3.2.4. Зависимост от налягане и напрежение на производството на йони. 34 3.2.5. Под земята. 34 3.3. FT-ICR. 38 3.3.1. Рамкови условия за FT-ICR в KATRIN. 39 3.3.2. Задачи в KATRIN. 39 3.3.3. Планирана настройка на теста за FT-ICR. 42 4. Поточен маркуч в транспортната секция 45 4.1. Речният маркуч в KATRIN. 45 4.2. Симулация на поточната тръба. 45 iii

Съдържание 4.3. Изместване на маркуча за подаване. 45 4.3.1. WGTS диполни бобини. 46 4.3.2. Наклонени магнити. 49 4.3.3. Измерено накланяне и изместване на магнитите на DPS . 49 4.3.4. Положение на криостатите. 49 4.3.5. Наклонете магнита в позиция 3 на DPS. 51 4.3.6. Позиция и наклон на макарите CPS. 51 4.4. Премахване на тесните места чрез промяна на глобалното магнитно поле 55 5. Тесни места и промени в дизайна 57 5.1. Тесни места и промени в дизайна в DPS. 57 5.1.1. PP0. 58 5.1.2. Модул 1 - стар FT-ICR и модул за намаляване на газовия поток. 58 5.1.3. Модул 2, 3 и 4. 62 5.1.4. Модул 5 - Блокиращ електрод и FT-ICR. 67 5.1.5. Преход към CPS - порт 5 на помпата (PP5). 68 5.1.6. Резюме - Тесни места в DPS. 71 5.1.7. Промени в геометрията на DPS в Касиопея. 71 5.2. Тесни места в CPS. 73 5.2.1. BT1 - топлинен щит. 76 5.2.2. BT 2-3-4 шикан. 76 5.2.3. Преход BT4 към BT5. 78 5.2.4. Официален офис 5. 79 5.2.5. BT6 и PP2. 81 5.2.6. BT7. 82 5.3. Преспектрометър. 83 5.3.1. Спектрометър. 83 5.3.2. Преспектрометър лъчева тръба с пръстен електрод. 86 5.4. Основен спектрометър. 88 5.5. Предавана тръба за поток. 90 6. Резюме и Outlook 95 Литература 99 A. Приложение 105 A.1. Източник на йони. 105 A.2. Положение на магнитите на WGTS, DPS и CPS. 106 A.3. DPS геометрия. 109 А.4. CPS геометрия. 109 iv

Списък на фигури 1.1. Бета спектър. 1 1.2. Слънчев неутринен спектър. 3 1.3. SNO. 4 1.4. Супер Камиоканде. 6 1.5. Дати на Super Kamiokande. 7 1.6. Majorana vs. Диракови частици. 8 1.7. Двойно бета разпадане. 9 2.1. Бета спектър. 12 2.2. КАТРИН. 12 2.3. Доставка на WGTS. 13 2.4. Схема на WGTS. 14 2.5. Газов профил WGTS. 15 2.6. DPS. 17 2.7. DPS - схема на изпомпване. 18 2.8. CPS - CAD чертеж. 19 2.9. CPS - лъчеви тръби. 20 2.10. Основен спектрометър. 22 2.11. Детекторна система. 23 2.12. Вафла детектор. 24 2.13. Мониторен спектрометър. 24 3.1. DPS схема. 25 3.2. Как работи източникът на йони. 27 3.3. UV лампа и предаване на прозореца на лампата. 28 3.4. Спектър на UV лампата. 28 3.5. PEEK структурна формула. 3.6. MдF 2 крива на предаване. 30 3.7. Крива на предаване на кварцов кристал. 31 3.8. Радиален електрод. 32 3.9. Тестова стойка (изглед отгоре). 32 3.10. Стенд за изпитване (напречно сечение). 33 3.11. Йонен ток на източника на йони. 35 3.12. Измерване на подземни тестове на източника на йони. 36 3.13. Измерване на подземни тестове на източника на йони: фото ефект. 37 3.14. FT-ICR демонстрационен чертеж. 38 3.15. FT-ICR йонна орбита. 39 3.16. Йони от WGTS. 40 пр.н.е.

Списък на фигури 5.31. Потенциал на PS пръстеновия електрод по оста z. 87 5.32. Потенциал на пръстеновия електрод PS по оста x. 87 5.33. Поточен маркуч в главния спектрометър. 88 5.34. Поточен маркуч между предварителния и главния спектрометър. 89 5.35. Предавана тръба за поток. 90 5.36. Предавана поточна тръба с диполна намотка. 92 5.37. Предавана тръба на потока в нивото на детектора. 93 A.1. Източник на йони: изглед отгоре (CAD). 105 A.2. Източник на йони: изрязване с размери. 105 A.3. Проектно положение на намотките WGTS. 106 А.4. Проектно положение на DPS и CPS намотките. 107 A.5. Дизайн на DPS намотките. 108 A.6. Дизайн на намотките CPS. 108 A.1. Положение на DPS криостатите юли 2015 г. 110 A.2. Пръстен електрод в модул 5 на DPS. 111 A.3. Положение на CPS бобините и лъчевите тръби. 112 A.4. Положение на CPS крайните тръби и крайните фланци. 113 vii

Списък на таблици 1.1. Различия в масовите квадрати и ъглите на смесване на неутрино. 6 3.1. Изместване на крайната точка на β спектъра на йони. 40 3.2. Йони в KATRIN и възможни тестови газове. 42 5.1. Накланяне на намотките на спектрометърните магнити. 83 A.1. Координатни оси на ASG и Касиопея. 109 ix

1. Неутринна физика Неутрините са най-леките частици в стандартния модел на физиката на частиците с маса на покой. Поради много ниската си маса и ниското ниво на взаимодействие с каквато и да е форма на материята, неутрино са, от една страна, много интересни, но в същото време изключително трудни за изследване частици. История на физиката на неутрино Ако човек си представя фалшиво бета-разпадането на атомно ядро X в дъщерно ядро Y и електрон като проблем с две тела, човек стига до заключението, че електронът трябва да има дискретен енергиен спектър. Z A X Z A + 1 Y + e + E (1.1) Още през 1914 г. Чадуик успява да покаже, че бета разпадането на радий няма дискретен, а непрекъснат спектър. Трябваха още 16 години, докато Фигура 1.1.: Β спектър на радий E [46]. накрая през 1930 г. Паули прави правилните изводи от това и постулира друга частица, участваща в този процес, която той нарича неутрон. Това 1

1.3. Solar Neutrinos Takaaki Kajita и Arthur B. McDonald бяха удостоени с Нобелова награда за физика през 2015 г. за доказателство за неутрино трептене и по този начин констатацията, че неутрино имат неотслабваща маса на покой. 1.3. Слънчеви неутрино Има два основни начина, по които енергията се генерира от ядрен синтез в звездите. От една страна има PP цикъл, при който четири протона се сливат ефективно, за да образуват ядро от 4 He, и от друга страна, цикълът на CNO, в който по същество четири протона са прикрепени към ядрото на въглерода, а по този начин и ядрото от 4 He Оформете ядрото. PP цикълът е доминиращ при звезди с ниска маса като слънцето, докато при по-тежките звезди и по този начин по-горещи в центъра, CNO цикълът произвежда по-голямата част от енергията. В PP цикъла в няколко точки се генерират електронни неутрино с енергии до 18 MeV. Фигура 1.2.: Слънчев неутринен спектър от [8]. Повечето неутрино от слънцето са създадени в първата стъпка от PP цикъла p + p 2 D + e + + ν e. (1.7) Въпреки това, поради ниската им максимална енергия от 0,425 MeV, тези неутрино са много по-трудни за откриване, отколкото 8 B неутрино от реакция 3

1. Физика на неутрино 8 B 8 Be + e + + ν e, (1.8), в която неутриното може да получи до 15 MeV. Експериментът за домашно приготвяне [10], ръководен от Р. Дейвис през 70-те години, дава първите доказателства за слънчевите неутрино с помощта на реакцията 37 Cl + ν e 37 Ar + e. (1.9) Тъй като експериментът е чувствителен само към електронни неутрино, бяха открити по-малко неутрино от очакваното. Това е наречено проблем със слънчевото неутрино. Решението на този проблем е предоставено по-късно чрез експеримента SNO [4]. SNO работи с 1000 t D 2 O като цел и освен еластични сблъсъци (ES) е чувствителен към реакции чрез заредени токове (CC), както и към неутрални токове (NC): ν i + e ν i + e (ES) ν e + D p + p + e (CC) ν i + D ν i + p + n (NC) (1.10) Фигура 1.3.: Изображение на детектора от SNO. Изображение от Националната лаборатория в Бъркли [36]. С това е възможно да се определи потокът на електронните неутрино и общият поток и на трите вида i = e, µ, τ. Това позволи да се покаже, че електронните неутрино от слънцето могат да се трансформират по пътя между мястото на произход и откриването им в експеримента SNO. Това е неутринното трептене, споменато по-горе. 4-ти

1.4. Атмосферни неутрино В допълнение, данните дават индикация за така наречения MSW ефект (Michejew-Smirnow-Wolfenstein) [59]. Това описва, че в присъствието на много електрони, поради кохерентно разсейване напред чрез заредени токове, неутрино имат вид ефективна маса, която влияе на разликата между масовите квадрати mij 2 и по този начин неутринното трептене. Ефектът на ТБО зависи както от плътността на електроните, така и от енергията на неутрино. За неутрино от слънцето с енергия 2). (1.12) Ако се приеме, че има три масивни неутрино от майорана, електронното неутрино може да бъде записано по следния начин: ν e = 3 U ei ν i. (1.13) i Скоростта на разпадането на 0νββ следователно е пропорционална на [48] 2 = 3 i U 2 ei mi 2 = 3 U ei 2 e α imi 2. (1.14) i След разпадането на 0νββ се провеждат няколко експеримента, напр. Exo-200 [51], Герда [3] и Немо-3 [6], издирвани. Ако експериментът успее да наблюдава разпадането на 0νββ, това показва, че неутриното е частица от майорана и ако резултатите от измерванията са достатъчно добри, може да се посочи долна граница за масата на неутрино. 9

2. KATRIN Фигура 2.1.: Вляво: диференциален бета спектър на тритий. Вдясно: Крайна точка на бета спектъра на тритий за хипотетично безмасово неутрино (синьо) и за неутрино с маса на покой 1 ev (червено). Изображение, адаптирано от [21]. Фигура 2.2. Експериментът KATRIN се състои от няколко компонента: задната секция RS, източникът на тритий WGTS, секцията диференциална помпа DPS, секцията криогенна помпа CPS, преспектрометърът PS, основният спектрометър MS и детекторът FPD Изображение от [45]. 12

2.2. Компоненти на експеримента KATRIN Фигура 2.3.: WGTS е транспортиран до тритиевата лаборатория (TLK) на 10 септември 2015 г. С пристигането на WGTS, всички основни компоненти на експеримента KATRIN вече са на място в Карлсруе. 13

2.2. Компоненти на експеримента KATRIN Фигура 2.5.: Тритиевият газ (чистота> 95%) се инжектира в средата на източника и се изпомпва по краищата (DPS-1F и DPS-1R). Изображение, адаптирано от [27] и [45]. 15-ти

2. KATRIN 2.2.2. Задна секция Задната секция е разположена в задния край на експеримента KATRIN и изпълнява няколко задачи. Задната стена, позлатена берилиева плоча, оказва значително влияние върху електростатичния потенциал в източника и по този начин има голямо влияние върху крайната точка на спектъра. Следователно е много важно работната функция да бъде възможно най-постоянна по цялата площ на задната стена. В центъра на задната стена има малка дупка, през която може да се изстреля електронен пистолет. С този E-Gun, наред с други неща, плътността на колоната N в WGTS може да бъде изследвана чрез измерване на Nσ. Тритиевата активност на източника може да се наблюдава и в задната част. За тази цел се откриват рентгеновите лъчи, които възникват, когато β-електроните удрят задната стена от разпада на трития. Информация за наблюдение на активността на газообразен източник на тритий може да се намери в [42]. 16.

2. KATRIN Фигура 2.10.: Основният спектрометър работи като Mac-E филтър. Магнитното поле е минимално в нивото на анализ. Това преобразува почти цялата напречна енергия на електроните в надлъжна енергия. Електрическият потенциал е максимален в нивото на анализ. Изображението е адаптирано от [45]. 22-ри

2.2. Компоненти на експеримента KATRIN 2.2.7. Детектор Фигура 2.11.: Структура на детекторната система. Детекторът е разположен малко зад центъра на детекторния магнит в магнитно поле от 3.3T. Картината показва и електрод след ускорение (PAE), който осигурява компенсиране на енергията за електроните. Източниците за калибриране са 241 Am гама източник и UV-осветен титанов диск. Изображение от [21]. Основният детектор на експеримента KATRIN (FPD = Фокален равнинен детектор) по същество има задачата да брои входящите електрони. Енергийният анализ вече се извършва от главния спектрометър. Детекторът се състои от 148 PIN диода, всички от които имат еднаква площ и са разположени в пръстеновидна структура. 148 пиксела образуват кръг с диаметър 90 mm и по този начин виждат магнитен поток от 210Tcm 2. Допълнителна информация за детекторната система може да се намери в [5]. 23.

2. KATRIN Фигура 2.12.: Можете да видите задната част на пластината на детектора. Детекторът е разделен на 148 пиксела, които са заобиколени от предпазен пръстен и пръстен за отклонение [45]. Изображение от [33]. 2.2.8. Мониторен спектрометър Мониторният спектрометър е 3 m дълъг и 1 m широк UHV резервоар, който е използван от KATRIN като спектрометър в предишния експеримент в Майнц. Вътрешната електродна система на този спектрометър е свързана със системата за високо напрежение на главния спектрометър. Това позволява мониторният спектрометър да се използва за наблюдение на дългосрочната стабилност на високото напрежение на главния спектрометър. За тази цел в системата има 83m Kr източник, който генерира моноенергийни електрони с енергия 17824,3 ± 0,5 ev. Тъй като тази линия е малко под енергията на крайната точка на тритий, източникът също е поставен върху потенциал. Позицията на линията може да се определи чрез промяна на този потенциал. Ако това се промени с течение на времето, това би било индикация за потенциален дългосрочен дрейф на високото напрежение на главния спектрометър. Фигура 2.13.: Структура на мониторния спектрометър. а) държач на източника, б) и г) свръхпроводящи магнити, в) спектрометър с намотка с въздушна сърцевина д) детектор. Изображението е адаптирано от [33]. 24

3.2. ELIOTT-II, източник на йони за тестване на DPS Фигура 3.2.: Функциониране на източника на йони: UV светлината попада в прозореца на катода, златното покритие на който е поставено върху отрицателен потенциал. Там електроните се избиват от фотоефекта, които се ускоряват от електрода с положително ускорение и могат да йонизират газовите молекули. Положително заредените йони, които възникват между акселераторните и екстракторните електроди, се групират в областта на цилиндъра и се ускоряват към екстракторния електрод. Електроните, от друга страна, се забавят от отрицателния извличащ електрод и не могат да преминат през него. Изображение от [57]. 27

3. Йонен източник за тестване на DPS - ELIOTT II а) б) Фигура 3.3.: А) Предаване на прозореца MдF 2 на UV лампата [32]. б) Изображение на UV лампата [32]. Фигура 3.4.: Относителен спектър на UV лампата според производителя [32]. 28

3. Йонен източник за тестване на DPS - ELIOTT II Фигура 3.8.: Радиален електрод, както е предложено от M. Zoll [61] 3.2.2.10. Намотка за изпитателния стенд За да може да се тества източникът на йони, е изградена намотка от тръба от неръждаема стомана и емайлирана медна тел. Намотката има дължина 300 mm и вътрешен диаметър около 150 mm. Намотката има омично съпротивление R 1,5 Ω и може да работи непрекъснато с ток I = 10 A. Полето в центъра на намотката е около B = 14mT. Два търговски вентилатора могат да се използват за охлаждане на намотката. 3.2.3. Тестова настройка За да се характеризира източникът на йони, е изградена изпитателна поставка (фиг. 3.9 и 3.10). Това се състои от тръба CF-100, към която може да се фланцира източникът на йони, медна плоча за измерване на тока, магнитна намотка, описана в 3.2.2.10, и вакуумна система с вход за газ и манометър. Фигура 3.9.: Изглед на тестовия стенд (модел) 32

3.2. ELIOTT-II, йонен източник за тестване на DPS acegikbdfhmn Фигура 3.10.: Вертикално напречно сечение на изпитателния стенд (CAD модел) a) UV лампа b) ISO-KF DN16 фланец за евакуация на тръбата между лампата и прозореца c) Алуминиева тръба за по-висока Отражателна способност в ултравиолетовия диапазон ) Електроди m) Медна плоча (работи като чаша на Фарадей) k) Проход за медната плоча n) Фланец ISO-KF DN25 за евакуация на изпитателния стенд 33