Ionforrás felépítése és a DPS és CPS transzport tulajdonságainak szimulálása a KATRIN-on
Ionforrás felépítése és a DPS és CPS transzport tulajdonságainak szimulálása a KATRIN kísérletben Rudolf Sack diplomamunkája a Fizikai Kar Kísérleti Nukleáris Fizikai Intézetében (IEKP) Első lektor: Második lektor: Témavezető: Prof. Drexlin Prof., U. Husemann Dr. F. Glück 2014. október 31., 2015. október 28
Karlsruhe Műszaki Intézet Fizikai Kar 76128 Karlsruhe
Őszintén megerősítem, hogy a munkát önállóan végezték, hogy az összes felhasznált segédeszközt teljesen és pontosan meghatároztam, és mindent azonosítottam, amit változatlanul vagy mások munkájának változásaival vittek el. Karlsruhe, 2015. október 29. (Rudolf Sack)
Tartalom 1. Neutrino fizika 1 1.1. A neutrino fizika története. 1 1.2. Neutrino rezgés. 2 1.3. Solar neutrínók. 3 1.4. Légköri neutrínók. 5 1.5. A neutrino fizika paraméterei. 5 1.5.1. Dirac vs. majoránna részecskék. 8 2. KATRIN 11 2.1. A KATRIN mérési elv. 11 2.2. A KATRIN kísérlet elemei. 11 2.2.1. Tritium-forrás (WGTS). 11 2.2.2. Hátsó rész. 16 2.2.3. Differenciál szivattyú szakasz (DPS). 17 2.2.4. Kriogén szivattyú szakasz (CPS). 19 2.2.5. Prespektrométer. 20 2.2.6. Fő spektrométer. 21 2.2.7. Detektor. 23 2.2.8. Monitor spektrométer. 24 3. Ionforrás a DPS teszteléséhez - ELIOTT II 25 3.1. Motiváció - ionmeghatározás és ionblokkolás a DPS-ben. 25 3.2. ELIOTT-II, ionforrás a DPS teszteléséhez. 26 3.2.1. Hogyan működik az ELIOTT-II ionforrás. 26 3.2.2. Felhasznált alkatrészek és anyagok. 26 3.2.3. Tesztbeállítás. 32 3.2.4. Az iontermelés nyomás- és feszültségfüggése. 34 3.2.5. Föld alatt. 34 3.3. FT-ICR. 38 3.3.1. Az FT-ICR keretfeltételei a KATRIN-nál. 39 3.3.2. Feladatok a KATRIN-nál. 39 3.3.3. Tervezett tesztbeállítás az FT-ICR számára. 42 4. Áramlótömlő a szállítási szakaszban 45 4.1. A folyótömlő a KATRIN-nál. 45 4.2. Az áramlási cső szimulációja. 45 iii
Tartalomjegyzék 4.3. Az áramlási tömlő elmozdulása. 45 4.3.1. WGTS dipólus tekercsek. 46 4.3.2. Döntött mágnesek. 49 4.3.3. A DPS mágneseinek mért dőlése és elmozdulása . 49 4.3.4. A kriosztátok helyzete. 49 4.3.5. Döntse a mágnest a DPS 3. pozíciójába. 51 4.3.6. A CPS tekercsek helyzete és dőlése. 51 4.4. A szűk keresztmetszetek kiküszöbölése a globális mágneses tér megváltoztatásával 55 5. A szűk keresztmetszetek és a terv változásai 57 5.1. Szűk keresztmetszetek és tervezési változások a DPS-ben. 57 5.1.1. PP0. 58 5.1.2. 1. modul - régi FT-ICR és modul a gázáram csökkentésére. 58 5.1.3. 2., 3. és 4. modul. 62 5.1.4. 5. modul - Blokkoló elektróda és FT-ICR. 67 5.1.5. Átmenet a CPS-re - 5. szivattyúport (PP5). 68 5.1.6. Összegzés - A DPS szűk keresztmetszetei. 71 5.1.7. Változások a DPS geometriájában Cassiopeia-ban. 71 5.2. Szűk keresztmetszetek a CPS-ben. 73 5.2.1. BT1 - hővédő. 76 5.2.2. BT 2-3-4 chicane. 76 5.2.3. BT4 áttérés BT5-re. 78 5.2.4. Hivatalos iroda 5. 79 5.2.5. BT6 és PP2. 81 5.2.6. BT7. 82 5.3. Prespektrométer. 83 5.3.1. Spektrométer. 83 5.3.2. Prespektrométer sugárcső gyűrűelektródával. 86 5.4. Fő spektrométer. 88 5.5. Átadott áramlási cső. 90 6. Összegzés és kitekintés 95 Irodalom 99 A. 105. melléklet A.1. Ionforrás. 105 A.2. A WGTS, DPS és CPS mágneseinek helyzete. 106 A.3. DPS geometria. 109 A.4. CPS geometria. 109 iv
Az 1.1. Ábrák felsorolása. Béta spektrum. 1 1.2. Solar neutrino spektrum. 3 1.3. SNO. 4 1.4. Szuper Kamiokande. 6 1.5. Super Kamiokande randevúk. 7 1.6. Majorana vs. Dirac részecskék. 8 1.7. Dupla béta bomlás. 9 2.1. Béta spektrum. 12 2.2. KATRIN. 12 2.3. A WGTS kézbesítése. 13 2.4. A WGTS rendszere. 14 2.5. Gázprofil WGTS. 15 2.6. DPS. 17 2.7. DPS - szivattyúzási séma. 18 2.8. CPS - CAD rajz. 19 2.9. CPS - gerendacsövek. 20 2.10. Fő spektrométer. 22 2.11. Detektor rendszer. 23 2.12. Detektoros ostya. 24 2.13. Monitor spektrométer. 24 3.1. DPS séma. 25 3.2. Hogyan működik az ionforrás. 27 3.3. UV lámpa és a lámpa ablakának átvitele. 28 3.4. UV lámpa spektruma. 28 3.5. PEEK szerkezeti képlet. 29 3.6. MдF 2 átviteli görbe. 30 3.7. Kvarc kristály átviteli görbe. 31 3.8. Radiális elektróda. 32 3.9. Tesztállvány (felülnézet). 32 3.10. Vizsgálati állvány (keresztmetszet). 33 3.11. Az ionforrás ionárama. 35 3.12. Az ionforrás földalatti tesztmérése. 36 3.13. Az ionforrás háttér tesztmérése: fotóhatás. 37 3.14. FT-ICR bemutató rajz. 38 3.15. FT-ICR ion pálya. 39 3.16. Ionok a WGTS-ből. Kr. E. 40
Az 5.31. Ábra felsorolása. Potenciál a PS gyűrűelektródánál a z tengely mentén. 87 5.32. Potenciál a PS gyűrűelektródánál az x tengely mentén. 87 5.33. Áramló tömlő a fő spektrométerben. 88 5.34. Áramló tömlő az előzetes és a fő spektrométer között. 89 5.35. Átadott áramlási cső. 90 5.36. Átvitt áramlócső dipól tekerccsel 92 5.37. A továbbított áramlási cső a detektor szintjén. 93 A.1. Ionforrás: felülnézet (CAD). 105 A.2. Ionforrás: méretekkel vágva. 105 A.3. A WGTS tekercsek tervezési helyzete. 106 A.4. A DPS és CPS tekercsek tervezési helyzete. 107 A.5. A DPS tekercsek kialakítása. 108 A.6. A CPS tekercsek kialakítása. 108 A.1. A DPS kriosztátok álláspontja, 2015. július. 110 A.2. Gyűrűelektróda a DPS 5. moduljában. 111 A.3. A CPS tekercsek és gerendacsövek helyzete. 112 A.4. A CPS véggerendacsövek és a végperemek helyzete. 113 vii
Táblázatok 1.1. A neutrínók tömegnégyzetének és keverési szögének különbségei. 6 3.1. Az ionok β-spektrumának végponteltolódása. 40 3.2. A KATRIN ionjai és a lehetséges vizsgálati gázok. 42 5.1. A spektrométer mágnesek tekercseinek billentése. 83 A.1. Az ASG és a Cassiopeia koordinátatengelyei. 109 ix
1. Neutrino fizika A neutrínók a legkönnyebb részecskék a nyugalmi tömegű részecskefizika standard modelljében. Nagyon alacsony tömegük és az anyag bármilyen formájával való alacsony kölcsönhatás miatt a neutrínók egyrészt nagyon érdekesek, ugyanakkor rendkívül nehezen vizsgálhatók a részecskék 1.1. A neutrino-fizika története Ha hamisan képzeljük el az X atommag béta-bomlását Y leánymaggá és elektront kéttestes problémaként, arra a következtetésre jutunk, hogy az elektronnak diszkrét energiaspektrummal kell rendelkeznie. Z A X Z A + 1 Y + e + E (1.1) Chadwick már 1914-ben képes volt megmutatni, hogy a rádium béta-bomlása nem diszkrét, hanem folytonos spektrumú. További 16 évbe telt, míg az 1.1. Ábra: E rádium β-spektruma [46]. Végül 1930-ban Pauli ebből levonta a megfelelő következtetéseket, és feltételezte, hogy egy másik részecske részt vesz ebben a folyamatban, amelyet neutronnak nevezett. Ez az 1
1.3. 2015-ben Takaaki Kajita és Arthur B. McDonald Solar-neutrínókat fizika-Nobel-díjjal tüntették ki a neutrínó oszcillációjának bizonyításáért, és így annak megállapításáért, hogy a neutrínóknak nincs eltűnő pihenő tömege. 1.3. Napenergia-neutrínók Két fő módja van annak, hogy az energia a csillagok magfúziójával keletkezzen. Egyrészt ott van a PP ciklus, amelyben négy proton hatékonyan összeolvad egy 4 He-mag kialakulásához, másrészt pedig a CNO-ciklus, amelyben lényegében négy proton kapcsolódik egy szénatomhoz, és ily módon egy 4 He-mag is. Alakítsd ki a magot. A PP ciklus az alacsony tömegű csillagokban, mint a nap, domináns, míg a nehezebb csillagokban, és így közepén melegebb, a CNO ciklus adja az energia nagy részét. A PP-ciklusban 18 MeV-ig terjedő energiájú elektron neutrínók keletkeznek több ponton. 1.2. Ábra: A [8] szoláris neutrino spektruma. A napból származó neutrínók nagy része a PP ciklus első lépésében jön létre p + p 2 D + e + + ν e. (1.7) Azonban alacsony, 0,425 MeV maximális energiájuk miatt ezeket a neutrínókat sokkal nehezebb kimutatni, mint a 3. reakció 8 B neutrínóit
1. Neutrino fizika 8 B 8 Be + e + + ν e, (1,8), amelyben a neutrino akár 15 MeV-t is képes fogadni. A házi kísérlet [10], amelyet R. Davis vezetett az 1970-es években, a 37 Cl + ν e 37 Ar + e reakció segítségével bizonyította a nap neutrínóinak első bizonyítékát. (1.9) Mivel a kísérlet csak elektron-neutrínókra érzékeny, a vártnál kevesebb neutrínót találtak. Ezt nevezték szoláris neutrino problémának. A probléma megoldására később az SNO kísérlet szolgált [4]. Az SNO 1000 t D 2 O-val dolgozik célként, és a rugalmas ütközések (ES) mellett érzékeny a töltött áramokon (CC) és a semleges áramokon (NC) keresztüli reakciókra: ν i + e ν i + e (ES) ν e + D p + p + e (CC) ν i + D ν i + p + n (NC) (1.10) 1.3. Ábra: Az SNO detektorának képe. Kép a Berkeley Nemzeti Laboratóriumról [36]. Ez lehetővé teszi az elektron neutrínók fluxusának és mindhárom i = e, µ, τ típusának teljes fluxusának meghatározását. Ez lehetővé tette annak kimutatását, hogy a napból származó elektron neutrínók képesek átalakulni a keletkezés helye és az SNO kísérletben való detektálás közötti úton. Ez a fent említett neutrino-oszcilláció. 4
1.4. Légköri neutrínók Ezenkívül az adatok jelzik az úgynevezett MSW (Michejew-Smirnow-Wolfenstein) hatást [59]. Ez azt írja le, hogy sok elektron jelenlétében a töltött áramokon keresztül történő koherens előre szórás miatt a neutrínóknak van egyfajta effektív tömege, amely befolyásolja a mij 2 tömegnégyzetek és így a neutrino oszcilláció közötti különbséget. Az MSW hatás mind az elektronok sűrűségétől, mind a neutrínók energiájától függ. 2) energiájú napsütéses neutrínókhoz. (1.12) Ha azt feltételezzük, hogy három masszív Majorana-neutrino létezik, akkor az elektron-neutrínót a következőképpen írhatjuk meg: ν e = 3 U ei ν i. (1.13) i A 0νββ bomlási sebessége ezért arányos a [48] 2 = 3 i U 2 ei mi 2 = 3 U ei 2 e α imi 2-vel. (1.14) i A 0ν ββ bomlás után számos kísérletet végeznek, például. Exo-200 [51], Gerda [3] és Nemo-3 [6] keresett. Ha egy kísérletnek sikerül megfigyelnie a 0νββ bomlást, ez azt mutatja, hogy a neutrino egy Majorana részecske, és ha a mérési eredmények elég jók, akkor meg lehet adni a neutrino tömeg alsó határát. 9.
2. KATRIN 2.1. Ábra: Balra: a trícium differenciális béta-spektruma. Jobbra: A trícium béta-spektrumának végpontja egy hipotetikusan tömeg nélküli neutrino (kék) és egy neutrino esetében, amelynek nyugalmi tömege 1 ev (piros). Kép adaptálva: [21]. 2.2. Ábra: A KATRIN kísérlet több összetevőből áll: Az RS hátsó szakasz, a tríciumforrás WGTS, a differenciál szivattyú szakasz DPS, a kriogén szivattyú szakasz CPS, az előspektrométer PS, az MS fő spektrométer és az FPD detektor. Kép a [45] -ból. 12.
2.2. A KATRIN kísérlet elemei 2.3. Ábra: A WGTS-t 2015. szeptember 10-én a trícium laboratóriumba (TLK) szállították. A WGTS érkezésével a KATRIN kísérlet minden fő eleme a helyszínen van Karlsruhe-ban. 13.
2.2. A KATRIN kísérlet alkotóelemei 2.5. Ábra: A tríciumgázt (tisztaság> 95%) a forrás közepére injektáljuk, és a széleken kiszivattyúzzuk (DPS-1F és DPS-1R). Kép adaptálva [27] és [45]. 15-én
2. KATRIN 2.2.2. Hátsó rész A hátsó rész a KATRIN kísérlet hátsó végén található, és számos feladatot lát el. A hátsó fal, egy aranyozott berilliumlemez, nagy hatással van a forrás elektrosztatikus potenciáljára, és ezáltal nagy hatással van a spektrum végpontjára. Ezért nagyon fontos, hogy a munkafunkció a lehető legállandóbb legyen a hátsó fal teljes területén. A hátsó fal közepén van egy kis lyuk, amelyen keresztül e-fegyvert lehet lőni. Ezzel az E-pisztollyal többek között az Nσ mérésével megvizsgálható a WGTS N oszlonsűrűsége. A forrás trícium aktivitása a hátsó szakaszon is nyomon követhető. Ebből a célból detektálják a röntgensugarakat, amelyek akkor keletkeznek, amikor a tríciumból származó β-elektronok elbomlanak a hátsó falon. A trícium gáznemű forrás aktivitásának monitorozásával kapcsolatos információk a [42] -ben találhatók. 16.
2. KATRIN 2.10. Ábra: A fő spektrométer Mac-E szűrőként működik. A mágneses mező minimális az elemzési szinten. Ez az elektronok szinte teljes keresztirányú energiáját hosszanti energiává alakítja. Az elektromos potenciál az elemzési szinten maximális. Kép adaptálva: [45]. 22-én
2.2. A KATRIN kísérlet elemei 2.2.7. Detektor 2.11. Ábra: Az érzékelő rendszer felépítése. A detektor kissé az érzékelő mágnesének közepe mögött helyezkedik el, 3,3 T mágneses mezőben. A képen látható a gyorsulás utáni elektróda (PAE) is, amely energia eltolást biztosít az elektronok számára. A kalibrációs források egy 241 Am gammaforrás és egy UV által megvilágított titán korong. Kép a [21] -ből. A KATRIN kísérlet fő detektorának (FPD = Focal Plane Detector) lényegében a bejövő elektronok számlálása a feladata. Az energiaelemzést már a fő spektrométer végzi. Az érzékelő 148 PIN-diódából áll, amelyek mindegyike azonos területtel rendelkezik, és gyűrűs szerkezetben vannak elrendezve. A 148 pixel 90 mm átmérőjű kört képez, és így 210Tcm 2 mágneses fluxust láthat. Az érzékelő rendszerrel kapcsolatos további információk az [5] -ben találhatók. 23.
2. KATRIN 2.12. Ábra: Láthatja az érzékelő ostya hátulját. Az érzékelő 148 képpontra oszlik, amelyeket védőgyűrű és előfeszítő gyűrű vesz körül [45]. Kép a [33] -ból. 2.2.8. Monitor-spektrométer A monitor-spektrométer egy 3 m hosszú és 1 m széles UHV tartály, amelyet a KATRIN spektrométerként használt az előző kísérletben Mainzban. Ennek a spektrométernek a belső elektródarendszere a fő spektrométer nagyfeszültségű rendszeréhez van csatlakoztatva. Ez azt jelenti, hogy a monitor spektrométerrel a fő spektrométer nagyfeszültségének hosszú távú stabilitása figyelhető meg. Erre a célra van egy 83m Kr forrás a rendszerben, amely 17824.3 ± 0.5 ev energiájú monoenergetikus elektronokat generál. Mivel ez az egyenes kissé a trícium végpont energiája alatt van, a forrást is egy potenciálra helyezzük. A vonal helyzetét ennek a potenciálnak a változtatásával lehet meghatározni. Ha ez idővel változik, ez a nagyfeszültség potenciális hosszú távú sodródását jelzi a fő spektrométeren. 2.13. Ábra: A monitor spektrométer felépítése. a) forrástartó, b) és d) szupravezető mágnesek, c) spektrométer levegőmag tekerccsel e) detektor. Kép adaptálva: [33]. 24.
3.2. ELIOTT-II, ionforrás a DPS teszteléséhez 3.2. Ábra: Az ionforrás funkciója: UV-fény éri a katódablakot, amelynek arany bevonata negatív potenciálra kerül. Az elektronokat a fotóhatás kiüti, melyeket a pozitív gyorsulási elektróda felgyorsít és ionizálni tudják a gázmolekulákat. A gyorsító és az elszívó elektródák között keletkező pozitív töltésű ionok a henger területén kötegelve vannak és felgyorsulnak az elszívó elektróda irányába. Az elektronokat viszont a negatív elszívó elektróda lelassítja, és nem tudnak áthaladni rajta. Kép [57] -ből. 27.
3. Ionforrás a DPS teszteléséhez - ELIOTT II a) b) 3.3. Ábra: a) Az UV lámpa MдF 2 ablakának átvitele [32]. b) Az UV-lámpa képe [32]. 3.4. Ábra: Az UV-lámpa relatív spektruma a gyártó szerint [32]. 28.
3. Ionforrás a DPS teszteléséhez - ELIOTT II. 3.8. Ábra: Radiális elektróda, M. Zoll javaslata szerint [61] 3.2.2.10. Tekercs a tesztállványhoz Az ionforrás teszteléséhez egy tekercset építettek egy rozsdamentes acélcsőből és zománcozott rézhuzalból. A tekercs hossza 300 mm, belső átmérője körülbelül 150 mm. A tekercs ohmos ellenállása R 1,5 Ω, és folyamatosan működtethető I = 10 A árammal. A tekercs közepén lévő mező kb. B = 14mT. Két kereskedelemben kapható ventilátor használható a tekercs hűtésére. 3.2.3. Tesztbeállítás Az ionforrás jellemzésére tesztállványt építettek (3.9. És 3.10. Ábra). Ez egy CF-100 csőből áll, amelyhez az ionforrás peremezhető, egy rézlemezről az áram mérésére, a 3.2.2.10. Pontban leírt mágneses tekercsből és egy vákuumrendszerből, gázbeömlővel és nyomásmérővel. 3.9. Ábra: A tesztállvány nézete (modell) 32
3.2. ELIOTT-II, ionforrás a DPS teszteléséhez acegikbdfhmn 3.10. Ábra: A tesztállvány függőleges keresztmetszete (CAD modell) a) UV lámpa b) ISO-KF DN16 karima a lámpa és az ablak közötti cső kiürítéséhez c) Alumínium cső magasabb Fényvisszaverő képesség az UV-tartományban d) Szigetelő a perselyhez (legalább 2 kv-ra tervezve) e) CF-DN100 karima a forrás egyéb vákuumelemekhez való rögzítéséhez f) Elektromos perselyek (réz) g) Szigetelő a katódablak elektromos szigeteléséhez h) Katódablak i ) Elektródák m) Rézlemez (Faraday-kupaként működik) k) Áthaladás a rézlemezhez n) ISO-KF DN25 karima a tesztállvány kiürítéséhez 33