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Energy calibration and stability monitoring of the KATRIN experiment

Das KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment (KATRIN) hat das Ziel die Neutrinomasse mit einer Senistivität von 200 meV (90% C.L.) zu messen. Um die hohe Sensitivität des KATRIN Experiments zu erreichen muss das Retardierungspotential von ?18.6 kV mit einer Genauigkeit von mindestens 60mV überwacht werden. In dieser Dissertation konnte die Funktionalität des redundanten Konzeptes zur Stabilitätsüberwachung mit den hochpräzisions KATRIN Spannungsteilern und den ionenimplantierten 83 Rb/ 83mKr Quellen am KATRIN Monitor Spektrometer demonstriert werden. Des Weiteren wurde eine neue Ellipsometrievariante für die  kondensierte 83mKr Konversionselektronen Quelle in der KATRIN Strahllinie entwickelt. Das Zusammenspiel all dieser Methoden zur Energiekalibrierung und Stabilitätsüberwachung ist in der Lage, die geforderte Genauigkeit bereit zu stellen um die hohe Sensitivität des KATRIN Experiments zu erreichen.

Titel: Energy calibration and stability monitoring of the KATRIN experiment
Verfasser: Bauer, Stephan GND
Gutachter: Weinheimer, Christian
Organisation: FB 11: Physik
Dokumenttyp: Dissertation/Habilitation
Medientyp: Text
Erscheinungsdatum: 13.02.2014
Publikation in MIAMI: 13.02.2014
Datum der letzten Änderung: 27.07.2015
Schlagwörter: Neutrinomasse; MAC-E Filter; Energiekalibrierung; Stabilitätsüberwachung; Konversionselektronen; Hochspannungsteiler
Neutrino mass; MAC-E filter; energy calibration; stability monitoring; conversion electrons; high voltage divider
Fachgebiete: Physik
Sprache: Deutsch
Format: PDF-Dokument
URN: urn:nbn:de:hbz:6-04329567654
Permalink: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:6-04329567654
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Inhalt:
1 Neutrino physics 1
1.1 History of the neutrino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Discovery of the neutrino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Solar neutrino problem and neutrino oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Determination of the neutrino mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.1 Neutrino mass from cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2 Neutrino mass from neutrinoless double beta decays . . . . . . . . . . 7
1.4.3 Direct mass determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Thesis outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 The KATRIN experiment 13
2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Rear section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Source and transport section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 KATRIN’s sensitivity to the neutrino mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Statistical and systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.8 Calibration and stability monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 The high voltage system at KATRIN 35
3.1 The wire electrode system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2 High voltage distribution system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3 High Voltage Slow control system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4 Compensation of AC components and RF noise . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5 Capacitance of the wire electrode system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.6 Summary of the high voltage system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4 The high precision KATRIN voltage dividers 53
4.1 Basic concepts of precision high voltage dividers . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 Design of the KATRIN high voltage dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3 Selection of resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4 Built-in ripple probe of the K65 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5 Calibration at PTB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6 Low voltage calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.7 Summary of calibration results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5 Measurements of 83mKr conversion electron lines at the KATRIN Monitor Spectrometer 81
5.1 Principle of internal conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2 Conversion electrons of 83mKr and their use at KATRIN . . . . . . . . . . . 83
5.3 Implanted sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4 The KATRIN Monitor Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4.1 Experimental set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4.2 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4.3 Data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.5 Investigation of K-32 conversion electron line stability . . . . . . . .. . . . 95
5.5.1 Results of the analysis with Voigt profile . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.5.2 Results for analysis with the cross correlation method . . . . . . . . . 96
5.5.3 Results for analysis with Doniach-Sunjic line shape . . . . . . . . . . 97
5.5.4 Comparison of stability analysis results . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.6 Difference of gamma energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.7 Summary of the measurements at the monitor spectrometer . . . . . . . 105
6 The condensed Krypton calibration source 107
6.1 Set-up in Münster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.1.1 Vacuum system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.1.2 Crycooler and cold finger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.1.3 Substrate and substrate region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.1.4 Gas preparation system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.1.5 Slow control system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.1.6 Ellipsometry set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.1.7 Laser ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.2 New set-up at the cryogenic pumping section . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7 Novel ellipsometry variant at cryogenic temperatures 123
7.1 Principle of PCSA ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.1.1 Introduction to reflection ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.1.2 Reflection ellipsometry on a three-layer optical system . . . . . . . . 127
7.1.3 Null ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.2 Ellipsometry with rotating compensator and fixed analyzer . . . . . . . . 131
7.3 Ellipsometry set-up with fixed analyzer and rotatable compensator at the CKrS 133
7.4 Analysis of PC-Ellipsometry data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.5 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.6 Summary of the novel ellipsometry variant . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8 Conclusion and outlook 145
Danksagung 158