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Spektrometerbereich

Der Spektrometer-Abschnitt umfasst drei elektrostatische Spektrometer (MAC-E-Filter):

  • Das Vor-Spektrometer stößt die meisten energiearmen Zerfallselektronen ab, die keine Informationen über die Neutrinomasse enthalten.
  • Das Hauptspektrometer misst die kinetische Energie der Elektronen, die das Vor-Spektrometer passieren, mit Energien nahe am Endpunkt des Beta-Spektrums.
  • Das Monitor-Spektrometer misst die Position der monoenergetischen Konversionselektronen aus 83mKr-Zerfällen. Zur Überwachung der Spannungsstabilität des Hauptspektrometers dient es als hochpräzises "Voltmeter".

 

Vorspektrometer

Die Hauptaufgabe des KATRIN-Vorspektrometers besteht darin, die Anzahl der Elektronen zu begrenzen, die im KATRIN-Hauptspektrometer
an Restgasmolekülen streuen können. Beide sind elektrostatische Spektrometer, die als MAC-E-Filter arbeiten. Weitere Details finden
Sie in unserem Designbericht 2004.

Das Bremsfeld eines MAC-E-Filters wird typischerweise durch ein System zylindrischer Elektroden erzeugt. Bei den
KATRIN-Spektrometern wollen wir auf ein kompliziertes inneres Elektrodensystem verzichten, um die Oberfläche im Ultrahochvakuum zu
minimieren und den Aufbau und die Montage zu vereinfachen. Daher wird das Bremsspotential direkt mit dem Vakuumbehälter verbunden.
Zur Reduzierung des Hintergrunds und zur Feinabstimmung des elektrischen Feldes wird ein, sehr simples und leichtes, inneres
Elektrodensystem im Inneren des Gefäßes installiert, das verschiedene Aufgaben erfüllt:

Das zylindrische Gefäß des Vorspektrometers hat einen Außendurchmesser von 1,70 m, eine Wandstärke von 10 mm und eine Länge von 3,38 m
zwischen den zentralen Flanschen der abgerundeten Endkappen. In der Analyseebene wird ein Streufeld von etwa 200 Gauß von zwei großen,
supraleitende Magnete, in einem gegenseitigen
Abstand von 4,30 m, erzeugt. Unter Berücksichtigung der Streufelder aller anderen
supraleitenden Magnete des KATRIN-Aufbaus beträgt das Magnetfeld in der Analyseebene ca. 270 Gauß. Die Magnetfeldlinien
sind in Rot dargestellt. Der Rumpf des elektrisch isolierten Vor-Spektrometergefäßes wird auf Hochspannung gehalten und beherbergt ein
inneres Elektrodensystem mit einem zylindrischen und zwei konisch geformten Abschnitten. Die innere Elektrode liegt auf einem etwas
geringeren Potential, um energiearme Elektronen von der Wand fern zu halten (siehe Abschn. 8 unseres Konstruktionsberichts).
Der zentrale Teil der Innenelektrode besteht aus einem nahezu masselosen Drahtrahmen. Um starke
elektrische Felder in diesem Abschnitt zu vermeiden bestehen  Die Endkegel aus Blech. Hier befinden sich die inneren Elektroden
in der Nähe der Masseelektroden (grün).

Das Vor-Spektrometer von KATRIN ist ein zylindrisches Edelstahlgehäuse (316LN) mit abgerundeten Endkappen. Um die Innenelektroden
zu montieren kann eine der Endkappen (rechte Seite in Abb. 2), mit einem großen Flansch von d = 1700 mm Durchmesser, abgenommen werden.
Geführt durch supraleitende Magnete treten die Elektronen, durch die Masseelektroden innerhalb der Flansche (d = 500 mm)
mittig beider Endkappen, in das Gefäß ein und verlassen es. Die beiden seitlich liegenden Anschlüsse dienen
zum Anschließen der Vakuumanlagen: mechanische Pumpen, Messgeräte und die für das notwendige Vakuum erforderlichen
Getterstreifen.


1. Entkopplung des Bremsspotentials vom elektronischen Rauschen am Spektrometergehäuse.

Wenn wir das Vakuumgefäß mit Hochspannung versorgen, können die elektronischen Instrumente und Pumpen,
die an das Gefäß angeschlossen sind, elektronische Störquellen für das Bremsspotential sein.
Wenn das Bremsspotential durch das Potential des zusätzlichen inneren Elektrodensystems stabilisiert wird,
kann das Rauschen am Gehäuse wirksam unterdrückt werden.

2. Elektrische Abschirmung (Monopolmodus).

Kosmische Myonen und umgebende oder intrinsische Radioaktivität können Elektronen induzieren, die von den Elektroden oder
Wänden ausgesandt werden. Im Allgemeinen sollten diese Elektronen in der Lage sein den Detektor zu erreichen, da sie die Lorentzkraft zurück zur Wand leitet.
Im Mainz II-Aufbau erreichte jedoch noch ein kleiner Teil (ca. 10-6) der an den Elektroden erzeugten Elektronen den Detektor.
Wenn die Drahtelektrode auf ein etwas geringeres Potential als der Tank gelegt wird, kann der Großteil dieser hauptsächlich
energiearmen Elektronen diese elektrische Barriere nicht passieren. Dieses Konzept wurde sehr erfolgreich in Mainz getestet.
Die Drahtelektroden selbst sind keine signifikante Elektronenquelle.


3. Entfernung eingeschlossener Partikel (Dipolmodus).
Wenn die zusätzlichen Elektroden, durch kurze Impulse, abwechseld auf unterschiedliche Potentiale gelegt werden,
wirkt auf die Elektronen (senkrecht sowohl zum elektrischen Dipolfeld E als auch zum Magnetfeld B) ein Drift.
Während dieser Impulse wird die Messung angehalten.

4. Das Elektrische Feld und Vermeidung von Penning-Fallen.
Simulationen bestätigten die Notwendigkeit einer gewissen Formung des elektrischen Feldes, um Penning-Fallen in Ecken zu vermeiden.
Dies kann entweder durch
eine komplizierte Form des Vakuumbehälters oder eines formgebenden Elektrodensystems erreicht werden. Beim KATRIN-Hauptspektrometer hat das Vakuumgefäß
bereits eine optimierte Form. Um Penning-Fallen zu vermeiden sind für das zylindrische KATRIN-Vor-Spektrometergehäuse zwei konische Masseelektroden an Eingangs- und
Austrittsflanschen sowie ein inneres Elektrodensystem vorgesehen (siehe Abb. 3).

Die Ergebnisse, die mit dem Mainzer Drahtelektrodensystem Spektrometer erzielt wurden
(siehe Abschn. 8 des KATRIN-Entwurfs)
Bericht 2004) führten zum Entwurf eines ähnlichen Elektrodensystems für das KATRIN-Vorspektrometer.

 

Das Vor-Spektrometer als Prototyp:
Funktionell ist das gesamte Vor-Spektrometer eine kleine Kopie des KATRIN-Hauptspektrometers. Alle wesentlichen technischen
Herausforderungen (z. B. XHV = 10-11 mbar, Hochspannung am Gehäuse bis 35 kV sowie das nahezu masselose Innenelektrodensystem)
sind identisch. Daher entschied sich die KATRIN-Kollaboration, das Vor-Spektrometer frühzeitig zu bauen, um die neuen Ideen und ihre
technischen Lösungen zu testen.

Das Vor-Spektrometer war die erste große KATRIN-Hardwarekomponente, die am FZK betrieben wurde. Nach der Herstellung und den ersten
Vakuumtests bei SDMS (Frankreich) wurde das Gehäuse im Herbst 2003 an das FZK ausgeliefert. Seitdem wurde ein detailliertes
Versuchsprogramm durchgeführt, um das KATRIN-Vakuumkonzept zu testen. Die Vakuummessungen wurden Ende 2004 abgeschlossen,
als unsere Vakuummessgeräte, ausgelegt für Vakuen bis 1x10-11 mbar, in den Unterlauf gingen.

Seitdem ist das Vor-Spektrometer mit den inneren Elektroden ausgestattet, die Magnete sind angebracht, und an beiden Enden
ist eine "e-gun" und ein vorläufiger Detektor installiert. Dieser Aufbau beginnt jetzt (Herbst 2006) mit den passenden
magnetischen und elektrischen Feldern, um die elektromagnetischen Eigenschaften und Hintergrundreduzierungsverfahren zu testen.

Die Vakuumtests hatten einen erheblichen Einfluss auf das Vakuumdesign des Hauptspektrometers. Ein interessanten Punkt ist hier:
Wir haben versucht das Vakuum, durch Abkühlen des Behälters auf -20 °C, zu verbessern. Dazu waren ein teures, luftdichtes Gehäuse sowie
eine Anlage, zum Trocknen der Luft auf einen Taupunkt unter -20 °C, erforderlich. Die Tests zeigten dass das Vakuum, durch
Abkühlen auf einige Grad über Null, signifikant verbessert wurde. Allerdings hat eine weitere Reduzierung der Temperatur auf –20 °C
zu keinen signifikanten Verbesserungen geführt. Aus diesem Grund haben wir beschlossen für das Hauptspektrometer eine Abkühlung auf 5 °C zu installieren, die
technisch viel einfacher und kostengünstiger ist. Dennoch sind einige Vorkehrungen für eine zukünftige Aufrüstung der Kühlung getroffen
worden, da der große Tank in dieser Hinsicht unterschiedliche Eigenschaften haben kann.

Allein das mechanische Pumpsystem (Turbomolekularpumpen) erreichte ca. 10-8 mbar. Nach Erwärmen des gesamten Gefäßes auf eine
Temperatur von 250 - 300 ºC und anschließendem Abkühlen wurde der Druck eine weitere Größenordnung reduziert. In diesem Druckbereich stellt
Wasserstoff von den Behälterwänden die
Hauptverunreinigung dar. Das finale Vakuum wurde erreicht, indem dieser Wasserstoff durch Getter-Streifen absorbiert wurde. Diese waren in der Oberen der beiden Pumpöffnungen an der Seite des Vor-Spektrometers angebracht.