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 wer...

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Verfasser: Bauer, Stephan
Weitere Beteiligte: Weinheimer, Christian (Gutachter)
FB/Einrichtung:FB 11: Physik
Dokumenttypen:Dissertation/Habilitation
Medientypen:Text
Publikation in MIAMI:13.02.2014
Datum der letzten Änderung:27.07.2015
Angaben zur Ausgabe:[Electronic ed.]
Schlagwörter:Neutrinomasse; MAC-E Filter; Energiekalibrierung; Stabilitätsüberwachung; Konversionselektronen; Hochspannungsteiler Neutrino mass; MAC-E filter; energy calibration; stability monitoring; conversion electrons; high voltage divider
Fachgebiet (DDC):530: Physik
Lizenz:InC 1.0
Sprache:Deutsch
Format:PDF-Dokument
URN:urn:nbn:de:hbz:6-04329567654
Permalink:https://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hbz:6-04329567654
Onlinezugriff:diss_bauer_stephan.pdf
Inhaltsverzeichnis:
  • 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.

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