| Impressum | Datenschutz | Sitemap | Home

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".

 

Hauptspektrometer

Das Hauptspektrometer muss den Endpunktbereich des Tritium-ß-Spektrums mit beispielloser

Präzision analysieren. Alle elektromagnetischen Eigenschaften müssen sehr genau bekannt
sein und unter strenger Kontrolle gehalten werden. Analog zum Vor-Spektrometer arbeitet es als
elektrostatisches Spektrometer im MAC-E-Filtermodus. Weitere Details finden Sie in unserem
Designbericht 2004.

Die Kombination eines großen Behälters sowie den hohen Anforderungen an das Ultrahochvakuum
(XHV) stellt eine technologische Herausforderung dar, da XHV-Behälter dieser Größe noch
nie gebaut wurden!

Das Hauptgefäß besteht aus Edelstahlblechen des Typs 1.4429 (316LN), die sowohl aufgrund
ihrer Festigkeit als auch ihrer hervorragenden magnetischen Eigenschaften, insbesondere
in Schweißbereichen, ausgewählt wurden. Das Gewicht beträgt ca. 200 Tonnen. Die im Stahl
zulässige Kobaltmenge und die verbleibende Radioaktivität sind begrenzt, um den Hintergrund
im Spektrometer zu minimieren. Die Dicke variiert zwischen 25 und 32 mm.

Am hinteren Ende sind drei Pumpenanschlüsse mit jeweils 1,7 m Durchmesser
angebracht. Zur Wärmeübertragung durch Thermoöl wird ein Rohrleitungssystem, durch
Anlöten von U-förmigen Edelstahlprofilen an die Oberfläche, eingesetzt. Die Tankständer
bieten eine elektrische Isolierung (in Abb. 1 gelb markiert).

            BILD: Fig1 Grafische Darstellung des Gefäßes
Die Eigenschaften des Gefäßes sind:

  • Innendurchmesser des zylindrischen Abschnitts: 9,8 m, Gesamtlänge: 23,28 m
  • Innenfläche: 650 m2, Volumen: 1400 m3
  • Drei Pumpenanschlüsse mit einem Durchmesser von 1,7 m und einer Länge von ca. 3 m. Ähnlich wie im Vor-Spektrometer endet jeder Pumpenanschluss in einem großen Flansch.
  • Der Elektronenstrahl tritt durch eine Masseelektrode in das Spektrometer ein,die an einem Keramikisolator auf einem 500-mm-Flansch befestigt ist, ähnlich wie bei dem für das Vor-Spektrometer verwendeten Design.
  • Während des Ausheizens bei 350 °C dehnt sich das Gefäß entlang der Achse um 20 cm aus. Um Schäden an den vorderen Abschnitten zu vermeiden, wird sie dort am Boden befestigt. Somit drückt das hintere Ende den Transportabschnitt und den Detektor zurück. Daher müssen alle hinteren Anlagen auf Schienen montiert werden. Das Gefäß wurde im Dezember 2004 bestellt und im November 2006 an das FZK ausgeliefert.


            BILD: Fig2 Elektromagnetischer Aufbau des KATRIN-Hauptspektrometers mit zweilagigen Drahtelektroden
Das Elektrodendesign basiert auf dem Konzept, dass der Vakuumtank selbst als Schutzelektrode
für eine präzisere Hochspannung am inneren Drahtelektrodensystem dient. Der Elektronenstrahl
tritt durch konische Masseelektroden, die über Keramikisolatoren am Spektrometer angebracht
sind, in das Gefäß ein und verlässt es ebenso. Das tatsächliche Design des inneren
Elektrodensystems und der Masseelektroden wurde im Vergleich zu Fig2 weiter
optimiert. Um die hochpräzise Energieauflösung von 0,93 eV zu erreichen und
systematische Fehler zu unterdrücken, sind hohe Anforderungen an die Homogenität des
elektrischen Bremspotentials und an das Magnetfeld in der Analyseebene erforderlich.

Geringe Inhomogenitäten des elektrischen Bremspotentials und des Magnetfelds
in der Analyseebene werden durch die gute räumliche Auflösung des Detektors in erster
Ordnung ausgeglichen. Der Elektronenfluss durch die Analyseebene wird auf einen
segmentierten Elektronendetektor projiziert, der eine Auflösung von etwa 400
Pixeln (20 × 20) hat. Jedes Pixel entspricht einem bestimmten Bereich in der Analyseebene.
Die Inhomogenitäten des elektrischen Potentials und der Magnetfelder wurden bestimmt und
können somit verwendet werden, um Abweichungen für jedes Pixel zu korrigieren.

Das innere Elektrodensystem unterdrückt Elektronen von der Spektrometerwand. Es kann
auch im Dipol-Modus betrieben werden, bei dem eingefangene Elektronen ausgestoßen werden:
Wenn die Elektroden in zwei Hälften geteilt werden (linke und rechte Seite) und durch
kurze Impulse von bis zu 1 kV je Elektrode unterschiedliche Potentiale angelegt
werden, driften hier die Elektronen senkrecht sowohl zum elektrischen
Dipolfeld E als auch zum Magnetfeld B. Während dieser Impulse ist die Messung
unterbrochen.


        BILD: Fig3 Unterteilung des inneren Drahtelektrodensystems in Module
Das innere Elektrodensystem besteht aus ca. 200 Drahtmodulen mit einem Gewicht von
jeweils 20–30 kg. Diese Module werden durch einen der Flansche
(Pumpenanschlüsse) in das Spektrometer eingeführt und über elektrische Isolatoren an den
Wänden montiert. Ein Ultrahochpräzisions-Hochspannungssystem versorgt die verschiedenen
Drahtschichten und Drahtabschnitte sowie das Außengefäß mit den für den normalen
Monopol- und Dipolmodus erforderlichen Spannungen. Eine hochpräzise Variation der
Hauptspektrometerpotentiale ist möglich, um das ß-Spektrum in der Nähe seines energetischen
Endpunkts abzutasten.


        Status des Hauptspektrometers:
        BILD: Fig4 Hauptspektrometer bei MAN DWE Anfang August 2006, in Vorbereitung für Vakuumtests
Das Hauptspektrometer wurde von MAN DWE im Werk Deggendorf an der Donau
hergestellt. Fig. 4 zeigt das hintere Ende des Gefäßes mit den drei Pumpanschlüssen.
Tatsächlich werden nur zwei Ports mit mechanischen Pumpen ausgestattet.

Die Vakuumtests begannen einige Tage nach der Aufnahme des obigen Bildes. Es wurde nur ein
Pumpsystem (Vorpumpe und Turbomolekularpumpe) verwendet. Das Instrument, mit dem das Vakuum
gemessen wurde, befand sich in der Pumpöffnung, die nicht zum Pumpen verwendet wurde.
Nach zweitägigem Pumpen mit der Vorpumpe wurde ein Vakuum von 1,5 x 10-3 mbar
erreicht. Das Einschalten des Turbos ergab nach einer Stunde 2 × 10-5 mbar und erreichte nach
einigen Tagen 3 × 10-7 mbar. Dann wurde ein weiterer Turbo zwischen die beiden
Pumpen geschaltet, um das Druckverhältnis zwischen Pumpeneintritt und -austritt zu
verringern. Dadurch wurde der Druck nach kurzer Zeit auf 8 × 10-8 mbar abgesenkt.
Dies ist ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis, insbesondere für den ersten
Versuch mit einem neu gebauten Gefäß dieser Größe. Es bestätigt ein hervorragendes Design,
Qualitätskontrolle und handwerkliches Können!

Unser Ziel ist es ein Vakuum zu erreichen, das mindestens vier Größenordnungen unter dem
obigen Wert liegt. Daher wurde ein weiterer Test durchgeführt, um winzige Lecks
mit einem Heliumlecktestgerät zu finden. Es wurden keine Lecks gefunden. Jetzt können
wir sicher sein, dass wir das erforderliche Vakuum erreichen, indem wir den Tank
vorübergehend unter einem Vakuum von bis zu 350 °C backen um das Gas
aus den Wänden zu drücken, mit vier anstatt
nur einem Pumpsystem zu arbeiten und außerdem Getter-Streifen (siehe Vor-Spektrometer) zu verwenden,
die durch Erhitzen aktiviert werden und hochwirksam in der Entfernung von Wasserstoff sind, welcher
die Hauptkomponente der Ausgasung von Stahl unter XHV-Bedingungen darstellt.

Nach den Dichtheitsprüfungen war der Tank versandbereit. Bei dem Transport von
Deggendorf nach Karlsruhe gibt es allerdings ein kleines Problem: Der Tank ist viel zu groß für Autobahnen,
und der Kanal zwischen Rhein und Donau kann ebenfalls nicht passiert werden! Anstelle einer
Fahrt von ungefähr 400 km muss das Spektrometer also fast 9000 km zurücklegen, wie in der
Karte angegeben.

            BILD: Fig5 Fahrt des Hauptspektrometers von Deggendorf (Donau) nach Leopoldshafen zum FZK (Rhein)
                  (Karte mit freundlicher Genehmigung der University of Texas Libraries, der University of Texas in Austin.)

            BILD: Fig6 Passieren der Jochenstein Schleuse
28. September 2006: Das Hauptspektrometer wurde auf das Lastschiff "Taifun"
geladen. Acht Tage später, nachdem das Schiff ca. 1400t Kies und 800 t Wasser als
Ballast aufgenommen hatte, gelang es die Brücke an der Schleuse Jochenstein
mit einem Sicherheitsabstand von 7 cm (!) zu passieren und die Reise sicher fortzusetzen.
Der nächste kritische Ort war Wildungsmauer zwischen Wien und Bratislava.
Hier wurde Ballast abgeladen, um die Wassertiefe zu bewältigen.

Das Donaudelta wurde Mitte Oktober erreicht. Im Hafen von Constanta wurde das
Hauptspektrometer auf das Schiff ANNEGRET umgeladen, das am 31. Oktober 2006 den
Hafen verließ.

            BILD: Fig7 Hauptspektrometer an Bord der ANNEGRET in Constanta
Nach einer rauen Fahrt durch das Schwarze Meer, an Bord der ANNEGRET, passierte das
Spektrometer den Bosporus und erreichte am 6. November den Hafen von
Augusta / Sizilien. Der Sturm hatte die Schutzhülle weggeblasen, sodass das Spektrometer
nun in seiner ganzen Pracht zu sehen ist - allerdings ein bisschen gereinigt werden muss!
In Augusta wurde das Spektrometer an die SVENJA übergeben, um es an die Rheinmündung zu transportieren.


            BILD: Fig8 Das "nackte" Spektrometer an Bord der ANNEGRET. Links: Pumpenanschlüsse, Rechts: vorderes Ende
Nach einem kurzen Abstecher zum Hafen von Civitavecchia in der Nähe von Rom passierte die
SVENJA am 13. November die Meerenge von Gibraltar und bog am 17. November nach Norden ab,
um die Mündung des Rheins zu erreichen.

Aufgrund des niedrigen Wasserstandes am Rhein wurde das Spektrometer auf einen Ponton
verladen, der zur Entladestelle in der Nähe von Leopoldshafen geschleppt wurde. Der Ponton
war notwendig, um das Schiff so nah ans Flussufer zu bringen, dass es von einem
Schwerlastkran entladen werden konnte. Der Transport vom Rhein zum FZK erfolgte planmäßig:

23. November (Do) Der Aufbau eines Schwerlastkrans begann in Leopoldshafen (an der "NATO-Rampe").
24.11. (Fr) Das Hauptspektrometer kam in Leopoldshafen an.
25. November (Sa)  Am Vormittag wurde das Spektrometergefäß vom Schwerlastkran auf ein Trägerfahrzeug          verladen.
 Tagsüber wurde das Gehäuse durch das Dorf Leopoldshafen zum FZK transportiert.
 Am Nachmittag dann endlich die Ankunft im FZK!
25.-28.11. Abbau des Krans und Wiederaufbau im FZK
29. November (Mi) Das Spektrometer wurde über die Seitenwände seiner neuen Halle in die endgültige Position gehoben.
Das Hauptspektrometer hat sein Ziel nun sicher erreicht!

            BILD: Fig9 Das Spektrometer verlässt den Rhein
            BILD: Fig10 Transport durch Leopoldshafen
            BILD: Fig11 Links: Das Spektrometer wird in die Halle gehoben. Rechts: Das Spektrometer wird vorsichtig abgesenkt.