Construcția unei surse de ioni și simularea proprietăților de transport ale DPS și CPS la KATRIN
Construcția unei surse de ioni și simularea proprietăților de transport ale DPS și CPS la experimentul KATRIN Teza de masterat de Rudolf Sack de la Facultatea de Fizică Institutul de Fizică Nucleară Experimentală (IEKP) Primul recenzent: Al doilea recenzent: Supervizor: Prof. F. Glück 31 octombrie 2014 28 octombrie 2015
Institutul de Tehnologie Karlsruhe Facultatea de Fizică 76128 Karlsruhe
Afirm cu adevărat că lucrarea a fost realizată independent, că am specificat pe deplin și cu precizie toate ajutoarele folosite și că am identificat tot ceea ce a fost luat din munca altora neschimbat sau cu modificări. Karlsruhe, 29 octombrie 2015. (Rudolf Sack)
Cuprins 1. Fizica neutrino 1 1.1. Istoria fizicii neutrinilor. 1 1.2. Oscilația neutrino. 2 1.3. Neutrini solari. 3 1.4. Neutrini atmosferici. 5 1.5. Parametrii fizicii neutrinilor. 5 1.5.1. Dirac vs. Particule de maghiran. 8 2. KATRIN 11 2.1. Principiul de măsurare KATRIN. 11 2.2. Componentele experimentului KATRIN. 11 2.2.1. Sursă de tritiu (WGTS). 11 2.2.2. Secțiunea din spate. 16 2.2.3. Secțiunea de pompare diferențială (DPS). 17 2.2.4. Secțiunea pompei criogenice (CPS). 19 2.2.5. Prespectrometru. 20 2.2.6. Spectrometru principal. 21 2.2.7. Detector. 23 2.2.8. Monitorizați spectrometrul. 24 3. Sursă de ioni pentru testarea DPS - ELIOTT II 25 3.1. Motivație - determinarea ionilor și blocarea ionilor în DPS. 25 3.2. ELIOTT-II, sursă de ioni pentru testarea DPS. 26 3.2.1. Cum funcționează sursa de ioni ELIOTT-II. 26 3.2.2. Componente și materiale utilizate. 26 3.2.3. Configurarea testului. 32 3.2.4. Dependența de presiune și tensiune de producția de ioni. 34 3.2.5. Subteran. 34 3.3. FT-ICR. 38 3.3.1. Condiții-cadru pentru FT-ICR la KATRIN. 39 3.3.2. Sarcini la KATRIN. 39 3.3.3. Configurarea planificată a testului pentru FT-ICR. 42 4. Furtun de debit în secțiunea de transport 45 4.1. Furtunul de râu de la KATRIN. 45 4.2. Simularea tubului de curgere. 45 iii
Cuprins 4.3. Deplasarea furtunului de curgere. 45 4.3.1. Bobine dipol WGTS. 46 4.3.2. Magneți înclinați. 49 4.3.3. Înclinarea măsurată și deplasarea magneților DPS . 49 4.3.4. Poziția criostaticelor. 49 4.3.5. Înclinați magnetul în poziția 3 a DPS. 51 4.3.6. Poziția și înclinarea rolelor CPS. 51 4.4. Eliminarea blocajelor prin schimbarea câmpului magnetic global 55 5. Blocaje și modificări de proiectare 57 5.1. Blocaje și modificări de proiectare în DPS. 57 5.1.1. PP0. 58 5.1.2. Modulul 1 - FT-ICR vechi și modul pentru reducerea debitului de gaz. 58 5.1.3. Modulul 2, 3 și 4. 62 5.1.4. Modulul 5 - Electrod de blocare și FT-ICR. 67 5.1.5. Trecerea la CPS - portul pompei 5 (PP5). 68 5.1.6. Rezumat - Blocaje în DPS. 71 5.1.7. Modificări ale geometriei DPS în Cassiopeia. 71 5.2. Blocaje în CPS. 73 5.2.1. BT1 - scut termic. 76 5.2.2. BT 2-3-4 chicane. 76 5.2.3. Tranziția BT4 la BT5. 78 5.2.4. Biroul oficial 5. 79 5.2.5. BT6 și PP2. 81 5.2.6. BT7. 82 5.3. Prespectrometru. 83 5.3.1. Spectrometru. 83 5.3.2. Tub de fascicul prespectrometru cu electrod inelar. 86 5.4. Spectrometru principal. 88 5.5. Tub de curgere transmis. 90 6. Rezumatul și Outlook 95 Literatura 99 A. Anexa 105 A.1. Sursa de ioni. 105 A.2. Poziția magneților WGTS, DPS și CPS. 106 A.3. Geometria DPS. 109 A.4. Geometria CPS. 109 iv
Lista figurilor 1.1. Spectru beta. 1 1.2. Spectrul de neutrini solari. 3 1.3. SNO. 4 1.4. Super Kamiokande. 6 1.5. Întâlniri Super Kamiokande. 7 1.6. Majorana vs. Particulele Dirac. 8 1.7. Dezintegrare beta dublă. 9 2.1. Spectru beta. 12 2.2. KATRIN. 12 2.3. Livrarea WGTS. 13 2.4. Schema WGTS. 14 2.5. Profil de gaz WGTS. 15 2.6. DPS. 17 2.7. DPS - schemă de pompare. 18 2.8. CPS - desen CAD. 19 2.9. CPS - tuburi cu fascicul. 20 2.10. Spectrometru principal. 22 2.11. Sistem de detectare. 23 2.12. Detector de napolitane. 24 2.13. Monitorizează spectrometrul. 24 3.1. Schema DPS. 25 3.2. Cum funcționează sursa de ioni. 27 3.3. Lampă UV și transmisia ferestrei lămpii. 28 3.4. Spectrul lămpii UV. 28 3.5. Formula structurală PEEK. 29 3.6. Curba de transmisie MдF 2. 30 3.7. Curba de transmitere a cristalului de cuarț. 31 3.8. Electrod radial. 32 3.9. Stand de testare (vedere de sus). 32 3.10. Stand de testare (secțiune transversală). 33 3.11. Curentul de ioni al sursei de ioni. 35 3.12. Măsurarea testului subteran al sursei de ioni. 36 3.13. Măsurarea testului subteran al sursei de ioni: efect foto. 37 3.14. Desen demo FT-ICR. 38 3.15. Orbita ionică FT-ICR. 39 3.16. Ioni din WGTS. 40 î.Hr.
Lista figurilor 5.31. Potențial la electrodul inelului PS de-a lungul axei z. 87 5,32. Potențial la electrodul inelului PS de-a lungul axei x. 87 5,33. Furtun de curgere în spectrometrul principal. 88 5.34. Furtun de curgere între spectrometru preliminar și principal. 89 5,35. Tub de curgere transmis. 90 5,36. Tub de curgere transmis cu bobină dipol. 92 5,37. Tub de curgere transmis la nivelul detectorului. 93 A.1. Sursa de ioni: vedere de sus (CAD). 105 A.2. Sursa ionică: tăiată cu dimensiuni. 105 A.3. Poziția de proiectare a bobinelor WGTS. 106 A.4. Poziția de proiectare a bobinelor DPS și CPS. 107 A.5. Proiectarea bobinelor DPS. 108 A.6. Proiectarea bobinelor CPS. 108 A.1. Poziția criostatelor DPS iulie 2015. 110 A.2. Inel electrod în modulul 5 al DPS. 111 A.3. Poziția bobinelor CPS și a tuburilor fasciculului. 112 A.4. Poziția tuburilor fasciculului de capăt CPS și a flanșelor de capăt. 113 vii
Lista tabelelor 1.1. Diferențele în pătratele de masă și unghiurile de amestecare ale neutrinilor. 6 3.1. Deplasarea punctului final al spectrului β al ionilor. 40 3.2. Ioni la KATRIN și posibile gaze de testare. 42 5.1. Înclinarea bobinelor magneților spectrometrului. 83 A.1. Axele coordonate ale ASG și Cassiopeia. 109 ix
1. Fizica neutrinilor Neutrinii sunt cele mai ușoare particule din modelul standard de fizică a particulelor cu o masă de repaus. Datorită masei lor foarte scăzute și a nivelului redus de interacțiune cu orice formă de materie, neutrinii sunt, pe de o parte, foarte interesanți, dar în același timp extrem de dificil de investigat particulele 1.1. Istoria fizicii neutrinilor Dacă cineva își imaginează în mod fals decăderea beta a unui nucleu atomic X într-un nucleu fiică Y și un electron ca o problemă cu doi corpuri, se ajunge la concluzia că electronul trebuie să aibă un spectru de energie discret. Z A X Z A + 1 Y + e + E (1.1) Încă din 1914, Chadwick a putut arăta că dezintegrarea beta a radiului nu are un spectru discret, ci continuu. Au mai durat 16 ani până la Figura 1.1.: Spectrul β al radiului E [46]. în cele din urmă, în 1930, Pauli a tras concluziile corecte și a postulat o altă particulă implicată în acest proces, pe care a numit-o neutron. Aceasta 1
1.3. Solar Neutrinos Takaaki Kajita și Arthur B. McDonald au primit Premiul Nobel pentru fizică în 2015 pentru dovada oscilației neutrinilor și, astfel, pentru constatarea că neutrinii au o masă de repaus care nu dispare. 1.3. Neutrinii solari Există două moduri principale în care energia este generată prin fuziunea nucleară în stele. Pe de o parte, există ciclul PP, în care patru protoni sunt fuzionați efectiv pentru a forma un nucleu de 4 He și, pe de altă parte, ciclul CNO, în care, în esență, patru protoni sunt atașați la un nucleu de carbon și, în acest fel, și un nucleu de 4 He. Formați nucleul. Ciclul PP este dominant în stelele cu masă redusă, cum ar fi soarele, în timp ce în stelele mai grele și, prin urmare, mai fierbinte în centru, ciclul CNO produce cea mai mare parte a energiei. În ciclul PP, neutrini de electroni cu energii de până la 18 MeV sunt generați în mai multe puncte. Figura 1.2.: Spectrul de neutrini solari din [8]. Majoritatea neutrinilor de la soare sunt creați în prima etapă a ciclului PP p + p 2 D + e + + ν e. (1.7) Cu toate acestea, datorită energiei maxime scăzute de 0,425 MeV, acești neutrini sunt mult mai dificil de detectat decât cei 8 B neutrini din reacția 3
1. Fizica neutrino 8 B 8 Be + e + + ν e, (1,8) în care neutrino poate primi până la 15 MeV. Experimentul homestake [10] condus de R. Davis în anii 1970 a furnizat primele dovezi ale neutrinilor solari cu ajutorul reacției 37 Cl + ν e 37 Ar + e. (1.9) Deoarece experimentul este sensibil doar la neutrini electronici, s-au găsit mai puțini neutrini decât se aștepta. Aceasta a fost numită problema neutrinilor solari. Soluția la această problemă a fost furnizată ulterior de experimentul SNO [4]. SNO funcționează cu 1000 t D 2 O ca țintă și, pe lângă coliziunile elastice (ES), este sensibil la reacții prin curenți încărcați (CC), precum și la curenți neutri (NC): ν i + e ν i + e (ES) ν e + D p + p + e (CC) ν i + D ν i + p + n (NC) (1.10) Figura 1.3.: Imaginea detectorului de la SNO. Imagine din Laboratorul Național Berkeley [36]. Acest lucru face posibilă determinarea fluxului neutrinilor electronilor și a fluxului total al tuturor celor trei tipuri i = e, µ, τ. Acest lucru a permis să se demonstreze că neutrinii electronici din soare se pot transforma pe drumul dintre locul lor de origine și detectarea în experimentul SNO. Aceasta este oscilația neutrino menționată mai sus. Al 4-lea
1.4. Neutrini atmosferici În plus, datele oferă o indicație a așa-numitului efect MSW (Michejew-Smirnow-Wolfenstein) [59]. Aceasta descrie că, în prezența multor electroni, datorită împrăștierii coerente înainte prin curenți încărcați, neutrinii au un fel de masă efectivă, care afectează diferența dintre pătratele de masă mij 2 și, astfel, oscilația neutrino. Efectul MSW depinde atât de densitatea electronilor, cât și de energia neutrinilor. Pentru neutrini de la soare cu o energie 2). (1.12) Dacă se presupune că există trei neutrini majorani masivi, se poate scrie neutrino-ul electronului după cum urmează: ν e = 3 U ei ν i. (1.13) i Rata dezintegrării 0νββ este astfel proporțională cu [48] 2 = 3 i U 2 ei mi 2 = 3 U ei 2 e α imi 2. (1.14) i După dezintegrarea 0ν ββ, se efectuează mai multe experimente, de exemplu. Exo-200 [51], Gerda [3] și Nemo-3 [6], doreau. Dacă un experiment reușește să observe dezintegrarea 0νββ, acest lucru arată că neutrino este o particulă Majorana și s-ar putea, dacă rezultatele măsurătorilor sunt suficient de bune, să specifice o limită inferioară pentru masa neutrino. 9
2. KATRIN Figura 2.1.: Stânga: spectrul beta diferențial al tritiului. Dreapta: punctul final al spectrului beta al tritiului pentru un neutrino ipotetic fără masă (albastru) și pentru un neutrino cu o masă de repaus de 1 ev (roșu). Imagine adaptată din [21]. Figura 2.2.: Experimentul KATRIN constă din mai multe componente: secțiunea din spate RS, sursa de tritiu WGTS, secțiunea pompei diferențiale DPS, secțiunea pompei criogenice CPS, pre-spectrometrul PS, spectrometrul principal MS și detectorul FPD. Imagine din [45]. Al 12-lea
2.2. Componentele experimentului KATRIN Figura 2.3.: WGTS a fost transportat la laboratorul de tritiu (TLK) pe 10 septembrie 2015. Odată cu sosirea WGTS, toate componentele majore ale experimentului KATRIN sunt acum la fața locului în Karlsruhe. 13
2.2. Componentele experimentului KATRIN Figura 2.5.: Gazul de tritiu (puritate> 95%) este injectat în mijlocul sursei și pompat la margini (DPS-1F și DPS-1R). Imagine adaptată din [27] și [45]. 15
2. KATRIN 2.2.2. Secțiunea din spate Secțiunea din spate este situată în partea din spate a experimentului KATRIN și îndeplinește mai multe sarcini. Peretele din spate, o placă de beriliu placată cu aur, are o influență semnificativă asupra potențialului electrostatic din sursă și are astfel o influență majoră asupra punctului final al spectrului. Prin urmare, este foarte important ca funcția de lucru să fie cât mai constantă posibil pe întreaga zonă a peretelui posterior. În centrul peretelui din spate există o mică gaură prin care se poate trage un pistol electronic. Cu acest E-Gun, printre altele, densitatea coloanei N din WGTS poate fi investigată măsurând Nσ. Activitatea tritiului sursei poate fi, de asemenea, monitorizată în secțiunea din spate. În acest scop, sunt detectate razele X, care sunt generate atunci când electronii β lovesc peretele din spate de la decăderea tritiului. Informații privind monitorizarea activității unei surse gazoase de tritiu pot fi găsite în [42]. 16
2. KATRIN Figura 2.10.: Spectrometrul principal funcționează ca un filtru Mac-E. Câmpul magnetic este minim la nivelul analizei. Aceasta convertește aproape toată energia transversală a electronilor în energie longitudinală. Potențialul electric este maxim la nivelul analizei. Imagine adaptată din [45]. 22
2.2. Componentele experimentului KATRIN 2.2.7. Detector Figura 2.11.: Structura sistemului de detector. Detectorul este situat ușor în spatele centrului magnetului detectorului într-un câmp magnetic de 3,3T. Imaginea prezintă, de asemenea, electrodul postaccelerație (PAE), care oferă o compensare a energiei pentru electroni. Sursele de calibrare sunt o sursă de 241 Am gamma și un disc de titan iluminat cu UV. Imagine din [21]. Detectorul principal al experimentului KATRIN (FPD = Focal Plane Detector) are în esență sarcina de a număra electronii care intră. Analiza energiei este deja efectuată de spectrometrul principal. Detectorul este format din 148 diode PIN, toate având aceeași zonă și sunt dispuse într-o structură inelară. Cei 148 de pixeli formează un cerc cu un diametru de 90mm și, astfel, văd un flux magnetic de 210Tcm 2. Informații suplimentare despre sistemul de detectare pot fi găsite în [5]. 23
2. KATRIN Figura 2.12.: Puteți vedea partea din spate a plăcii detectorului. Detectorul este împărțit în 148 de pixeli care sunt înconjurați de un inel de protecție și un inel de polarizare [45]. Imagine din [33]. 2.2.8. Spectrometru pentru monitor Spectrometrul pentru monitor este un rezervor UHV de 3 m lungime și 1 m lățime, care a fost folosit ca spectrometru de KATRIN în experimentul anterior de la Mainz. Sistemul de electrod intern al acestui spectrometru este conectat la sistemul de înaltă tensiune al spectrometrului principal. Acest lucru permite utilizarea spectrometrului monitorului pentru a monitoriza stabilitatea pe termen lung a tensiunii ridicate a spectrometrului principal. În acest scop, există o sursă de 83 m Kr în sistem, care generează electroni monoenergetici cu o energie de 17824,3 ± 0,5 ev. Deoarece această linie este puțin sub energia punctului final al tritiului, sursa este plasată și pe un potențial. Poziția liniei poate fi determinată prin variația acestui potențial. Dacă acest lucru se schimbă în timp, aceasta ar fi o indicație a unei derive potențiale pe termen lung a tensiunii ridicate pe spectrometrul principal. Figura 2.13.: Structura spectrometrului monitorului. a) suport sursă, b) și d) magneți supraconductori, c) spectrometru cu bobină de miez de aer e) detector. Imagine adaptată din [33]. 24
3.2. ELIOTT-II, sursă de ioni pentru testarea DPS Figura 3.2.: Funcționarea sursei de ioni: lumina UV lovește fereastra catodică, a cărei acoperire aurie este plasată pe un potențial negativ. Acolo, electronii sunt eliminați de efectul foto, care este accelerat de electrodul de accelerație pozitivă și poate ioniza moleculele de gaz. Ionii încărcați pozitiv care apar între acceleratorul și electrozii extractori sunt grupați în zona cilindrului și sunt accelerați către electrodul extractor. Pe de altă parte, electronii sunt încetiniți de electrodul extractor negativ și nu pot trece prin el. Imagine din [57]. 27
3. Sursă de ioni pentru testarea DPS - ELIOTT II a) b) Figura 3.3.: A) Transmiterea ferestrei MдF 2 a lămpii UV [32]. b) Imaginea lămpii UV [32]. Figura 3.4.: Spectrul relativ al lămpii UV în conformitate cu producătorul [32]. 28
3. Sursa de ioni pentru testarea DPS - ELIOTT II Figura 3.8.: Electrod radial așa cum sugerează M. Zoll [61] 3.2.2.10. Bobină pentru standul de testare Pentru a putea testa sursa de ioni, a fost construită o bobină dintr-un tub din oțel inoxidabil și sârmă de cupru emailată. Bobina are o lungime de 300 mm și un diametru interior de aproximativ 150 mm. Bobina are o rezistență ohmică de R 1,5 Ω și poate fi acționată continuu cu un curent de I = 10 A. Câmpul din centrul bobinei este de aproximativ B = 14mT. Pentru răcirea bobinei pot fi utilizate două ventilatoare disponibile în comerț. 3.2.3. Configurarea testului Pentru a caracteriza sursa de ioni, a fost construit un stand de testare (Fig. 3.9 și 3.10). Acesta constă dintr-un tub CF-100 la care sursa de ioni poate fi flanșată, o placă de cupru pentru măsurarea curentului, bobina magnetică descrisă la 3.2.2.10 și un sistem de vid cu intrare de gaz și manometru. Figura 3.9.: Vizualizarea standului de testare (model) 32
3.2. ELIOTT-II, sursă de ioni pentru testarea DPS acegikbdfhmn Figura 3.10.: Secțiune transversală verticală a standului de testare (model CAD) a) lampă UV b) flanșă ISO-KF DN16 pentru evacuarea conductei dintre lampă și fereastră c) Teava de aluminiu pentru Reflectivitate în domeniul UV d) Izolator pentru bucșă (proiectat pentru cel puțin 2 kv) e) Flanșă CF-DN100 pentru atașarea sursei la alte componente de vid f) Bucșe electrice (cupru) g) Izolator pentru izolarea electrică a ferestrei catodice h) Fereastra catodică i ) Electrozi m) Placă de cupru (funcționează ca Faraday Cup) k) Avans pentru placa de cupru n) flanșă ISO-KF DN25 pentru evacuarea standului de testare 33