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Transport Bereich

Die Transportstrecke muss die Beta-Elektronen adiabatisch von der Quelle zu den Spektrometern leiten und gleichzeitig
jeglichen Tritiumfluss zum Spektrometer verhindern, der wegen des Hintergrunds praktisch tritiumfrei gehalten werden muss.
Es besteht aus einem Differentialpumpenabschnitt (DPS2F) und einem Tieftemperaturpumpenabschnitt (CPS). In Kombination müssen
sie eine Unterdrückung des Tritiumflusses um neun Größenordnungen liefern.

Fensterlose, gasförmige Tritium-Quelle (WGTS)

Hier starten die Beta-Elektronen ihre Reise:
Die Messung der Neutrinomasse ist eine hochpräzise Messung. Dies erfordert genau definierte und kontrollierte Bedingungen für
 die Erzeugung der Beta-Elektronen, deren Energie in den Spektrometern analysiert wird, um das Geheimnis der
 Neutrinomasse zu lüften. Die fensterlose gasförmige Tritiumquelle (Windowless Gaseous Tritium Source, WGTS) sorgt für
einen hochstabilen Fluss von Beta-Elektronen zum Spektrometer mit einem technisch komplexen und anspruchsvollen Kontroll- und
Überwachungsverfahren für den Tritiumgasgehalt und die Tritiumzusammensetzung auf der 10-3-Ebene.

Grundsätzlich kann jedes radioaktive Beta-emittierende Isotop zur Suche nach der Neutrinomasse verwendet werden. Unter ihnen ist Tritium ein erstklassiger Kandidat für die Durchführung von Neutrino-Massensuchen. Das Karlsruher Institut für Technologie
beherbergt mit dem Tritiumlabor Karlsruhe (siehe Abb.1) eine halbtechnische Anlage zur Aufbereitung von Tritium. Mit seiner
Lizenz für die Verarbeitung von bis zu 40 Gramm Tritium und dem derzeitigen Standortinventar von ca. 25 Gramm Tritium, sowie die umfangreiche Infrastruktur und Versuchsapparatur ist das TLK eine hochmoderne Einrichtung für die Durchführung des KATRIN-Experiments.

Die WGTS ist ein Rohr von 10 m Länge und einem Innendurchmesser von 90 mm (Abb. 3). Kryogenes molekulares Tritiumgas (T = 27 K)
mit hoher Isotopenreinheit (> 95%) wird durch einen Satz von Kapillaren in der Mitte des 10 m langen WGTS-Rohrs injiziert.
Der Gasinjektionsdruck p_in ermöglicht die Einstellung der Säulendichte ρd der Quelle. Für einen Wert von
pin = 3,4 x 10-3 mbar und einer Quellrohrtemperatur von T = 27 K ist die Säulendichte des WGTS auf den
Referenzwert ρd = 5 x 1017Moleküle / cm2 festgelegt. Die Elektronen aus den Tritium-Beta-Zerfallsprozessen werden
durch Magnetfelder von BS = 3,6 T adiabatisch  zu beiden Enden der Röhre geleitet. Am Ende der WGTS wird das molekulare
Gas aus dem System abgepumpt und durch einen geschlossenen Kreislauf zurückgeführt, während die Beta-Elektronen, die von den
Pumpmaßnahmen nicht betroffen sind, ihren Weg zu den Spektrometern finden. Innerhalb des geführten Magnetflusses von 191 T x cm2 liefert
die WGTS eine Gesamtsumme (vordere und hintere Halbkugel)
von 9,5 x 1010 Beta-Zerfällen pro Sekunde. (Siehe Abb. 2 für WGTS-Schaltpläne.)

Die dominante systematische Unsicherheit der WGTS hängt mit der Stabilität der Säulendichte ρd = 5 x 1017 Moleküle / cm2 zusammen,
die mit einer Genauigkeit von 0,1% bekannt sein muss. Der physikalische Grund ist, dass die Säulendichte, d. h. Die Menge des Gases
in der Quelle, den Anteil der Elektronen bestimmt, die ohne Wechselwirkungen oder Energieverluste aufgrund einfacher oder doppelter
Streuung mit anderen Molekülen aus der Quelle austreten. Offensichtlich müssen diese Energieverluste bei der Datenanalyse für die
Neutrino-Massensuche berücksichtigt werden, bei der sorgfältig nach subtilen spektralen Verzerrungen des Energiespektrums gesucht wird.
Glücklicherweise können diese Energieverluste mit speziellen Messungen bestimmt werden. Zusätzlich zu diesen Sondermessungen setzt KATRIN
jedoch auf eine sehr stabile Leistung der WGTS und In-situ-Monitoring-Tools. Es wurden große Fortschritte einer
stabilen Quellleistung und neuer Entwicklungen von In-situ-Tools erzielt, insbesondere in den folgenden Bereichen:

1) Temperaturstabilisierung

Das molekulare Tritiumgas muss sich auf Tieftemperaturen um 30 K befinden, damit Korrekturen der Elektronenenergie aufgrund der
thermischen Bewegung der zerfallenden Mutteratome nicht zu groß werden. Nachdem das Strahlrohr auf eine Temperatur im Bereich
zwischen 27 und 33 K eingestellt wurde, muss diese Temperatur auf dem oben genannten Promille-Niveau stabil gehalten werden.
Für ein so großes Objekt wie dem 10 m lange WGTS-Strahlrohr musste ein neuartiges Kühlkonzept entwickelt und getestet
werden (Abb. 4) [1,2,3]. Im Jahr 2011 konnte die KATRIN-Kollaboration mit dem neuartigen Kühlkonzept, das auf einem
2-Phasen-Flüssig-Neon-Thermosiphon basiert, eine Stabilität von nur wenigen mK-Schwankungen innerhalb von Stunden nachweisen,
 die die KATRIN-Anforderungen bei weitem erfüllt. Die Tests wurden mit dem sogenannten Demonstrator durchgeführt, der die
ursprünglichen Hauptteile des WGTS-Kryostaten verwendete.

2) Druckstabilisierung

Wie man sich vorstellen kann, skaliert die Menge an Tritium in der Quelle mit dem Eingangsdruck. Es hat sich herausgestellt,
dass der Eingangsdruck auf dem selben Niveau wie die Temperatur stabilisiert werden muss. Dies wird durch die Verwendung eines großen
Druckregelgefäßes erreicht, aus dem das Tritium über eine Kapillare zum Strahlrohr fließt. Bereits im Jahr 2009 konnte das
Team am Tritium-Loop-System mit einer solchen Technik das erforderliche Stabilitätsniveau für die Steuerung und Überwachung nachweisen (Abb. 5).

3) Stabilität von hoher T2-Reinheit

KATRIN benötigt eine hohe Isotopenreinheit des molekularen T2-Gases (> 95%). Neben T2-Molekülen gibt es auch Anteile von
DT- und HT-Molekülen in dem Gasgemisch. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Molekularmassen und Bindungsenergien haben
Elektronen aus solchen Zerfällen unterschiedliche Endpunktsenergien. Daher ist es wichtig, die Beimengungen solcher Zerfälle
 so gering wie möglich zu halten. Darüber hinaus ermöglicht die In-situ-Messung des Isotopengehalts zusammen mit einer
Aktivitätsmessung (siehe unten "Monitor Detectors") die direkte Überwachung der Säulendichte. Mit dem sogenannten
LARA-System wurde ein einsatzbereites Laser-Raman-Spektroskopiesystem entwickelt, in Betrieb genommen und getestet,
das alle 200 Sekunden den Isotopengehalt der WGTS mit einer Genauigkeit von 0,1% messen kann (Abb. 6) [4].

4) Melder überwachen

Teilchendetektoren, die direkt auch die Beta-Elektronen niedriger Energie der Quelle detektieren, wurden konstruiert
oder befinden sich in Tests, um die Aktivität (d. h. Zerfallsrate) der WGTS zu überwachen. Der Vorwärtsstrahl-Überwachungsdetektor
ist eine kleine Pin-Diode, die in der Nähe des Randes der Magnetflussröhre positioniert ist.
Sie bewältigt hohe Datenraten bei einer Genauigkeit von 0,1%, was bedeutet, dass es nur Sekunden dauert, um
die Aktivität der WGTS zu messen und somit, zusammen mit der Isotopenzusammensetzung aus dem LARA-System, die Säulendichte abzuleiten.
Darüber hinaus erfasst ein Röntgendetektor, der sich hinter der hinteren Platte der WGTS befindet, die induzierte Bremsstrahlung,
wenn die Elektronen auf die Platte treffen - eine weitere Methode, um die Aktivität der Quelle hinreichend genau zu messen.