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Calibration of hot and cold dark matter experiments

an angular selective photoelectron source for the KATRIN experiment and an apparatus to determine the reflection properties of PTFE for vacuum UV light

Experimente der Astroteilchenphysik, wie das KATRIN Experiment zur Bestimmung der Neutrinomasse und das XENON Experiment zur Suche nach Dunkler Materie, benötigen ein genauestes Verständnis ihrer einzelnen Komponenten, um ihre Ziele zu erreichen. In dieser Arbeit wurde eine winkelselektive Photoelektronenquelle zur Charakterisierung des KATRIN Hauptspektrometers entworfen und ein Prototyp getestet. Für das XENON Experiment wurde ein Versuchsaufbau zur Messung der Reflektionseigenschaften von PTFE bei Vakuum-UV Licht konstruiert und in Betrieb genommen.

Titel: Calibration of hot and cold dark matter experiments
Untertitel: an angular selective photoelectron source for the KATRIN experiment and an apparatus to determine the reflection properties of PTFE for vacuum UV light
Verfasser: Bokeloh, Karen GND
Gutachter: Weinheimer, Christian
Organisation: FB 11: Physik
Dokumenttyp: Dissertation/Habilitation
Medientyp: Text
Erscheinungsdatum: 10.02.2014
Publikation in MIAMI: 10.02.2014
Datum der letzten Änderung: 27.07.2015
Schlagwörter: Neutrinomasse; KATRIN Experiment; Photoelektronenquelle; Dunkle Materie; XENON Experiment; Reflektionseigenschaften PTFE
Fachgebiete: Physik
Sprache: Englisch
Format: PDF-Dokument
URN: urn:nbn:de:hbz:6-34329395924
Permalink: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:6-34329395924
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Inhalt:
1. Hot and cold dark matter 1
1.1. Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1. Evidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2. Dark matter candidates and detection . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. The KATRIN experiment 13
2.1. β-decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2. The MAC-E filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3. Overview of the KATRIN experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3. Angular-selective electron source 21
3.1. The transmission function of the KATRIN experiment . . . . . . . . . . . 21
3.2. Design requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3. The parallel plate electron source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.1. Basic principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.2. Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.3. Realization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4. Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.1. The Mainz spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.2. The electron source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.3. HV setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5. Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.1. Settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.2. Measurement overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.3. Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6. Analysis and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.6.1. Transmission function fits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.6.2. The angular emission of the electron source . . . . . . . . . . . . . 52
3.7. Conclusion and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4. The XENON experiment 61
4.1. Experimental concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2. The XENON100 detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3. Results from the XENON100 experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4. The XENON1t experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5. Reflectance of VUV from PTFE 69
5.1. PTFE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2. Reflectance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.1. Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.2.2. Reflections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3. Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3.1. Requirements and general implementation . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3.2. First implementation 2009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.3. Changes for the second setup 2011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4. Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.4.1. Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.4.2. Procedure for reflectivity measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4.3. Measurement overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.5. Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5.1. Analysis principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5.2. Total intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5.3. Reflected data sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.6. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.6.1. Possible alternative Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.6.2. Microscope measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.6.3. Wavelength dependence of reflectance . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.7. Summary and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6. Conclusion and outlook 133
A. Electron source 137
A.1. Single errorfunction fits with residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
B. Calculation of angles for the reflection chamber setup 145
B.1. Global angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
B.2. Local angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
B.3. Distribution of the angle θo for diffuse reflection . . . . . . . . . . . . . . . 148