Побудова джерела іонів та моделювання транспортних властивостей ДФС та КФС на KATRIN

Побудова джерела іонів та моделювання транспортних властивостей ДФС і КФС в експерименті KATRIN Магістерська робота Рудольфа Сака на Фізичному факультеті Інституту експериментальної ядерної фізики (IEKP) Перший рецензент: Другий рецензент: Науковий керівник: Проф. Ф. Глюк 31 жовтня 2014 року 28 жовтня 2015 року

джерела

Технологічний інститут Карлсруе Фізичний факультет 76128 Карлсруе

Я правдиво стверджую, що робота була виконана самостійно, що я повністю і точно вказав усі використані засоби і що я визначив все, що було взято з роботи інших, без змін або зі змінами. Карлсруе, 29 жовтня 2015 року. (Рудольф Мішок)

Зміст 1. Фізика нейтрино 1 1.1. Історія фізики нейтрино. 1 1.2. Коливання нейтрино. 2 1.3. Сонячні нейтрино. 3 1.4. Атмосферні нейтрино. 5 1,5. Параметри фізики нейтрино. 5 1.5.1. Частинки Дірака проти майорану. 8 2. КАТРІН 11 2.1. Принцип вимірювання KATRIN. 11 2.2. Компоненти експерименту KATRIN. 11 2.2.1. Джерело тритію (WGTS). 11 2.2.2. Задня секція. 16 2.2.3. Секція диференціальної накачки (ДПС). 17 2.2.4. Кріогенна насосна секція (CPS). 19 2.2.5. Преспектрометр. 20 2.2.6. Головний спектрометр. 21 2.2.7. Детектор. 23 2.2.8. Моніторний спектрометр. 24 3. Іонне джерело для тестування DPS - ELIOTT II 25 3.1. Мотивація - визначення іонів та блокування іонів у ДФС. 25 3.2. ELIOTT-II, джерело іонів для тестування ДФС. 26 3.2.1. Як працює джерело іонів ELIOTT-II. 26 3.2.2. Використовувані компоненти та матеріали. 26 3.2.3. Тестове налаштування. 32 3.2.4. Залежність тиску та напруги виробництва іонів. 34 3.2.5. Підземні. 34 3.3. FT-ICR. 38 3.3.1. Рамкові умови FT-ICR на KATRIN. 39 3.3.2. Завдання в KATRIN. 39 3.3.3. Планова установка тесту для FT-ICR. 42 4. Шланг подачі в транспортному відділі 45 4.1. Річковий шланг у KATRIN. 45 4.2. Моделювання проточної трубки. 45 iii

Зміст 4.3. Зміщення проточного шланга. 45 4.3.1. Дипольні котушки WGTS. 46 4.3.2. Нахилені магніти. 49 4.3.3. Вимірюється нахил і зміщення магнітів DPS . 49 4.3.4. Положення кріостатів. 49 4.3.5. Нахиліть магніт у положення 3 DPS. 51 4.3.6. Положення та нахил котушок CPS. 51 4.4. Усунення вузьких місць шляхом зміни глобального магнітного поля 55 5. Вузькі місця та зміни конструкції 57 5.1. Вузькі місця та зміни дизайну в DPS. 57 5.1.1. PP0. 58 5.1.2. Модуль 1 - старий FT-ICR та модуль для зменшення витрати газу. 58 5.1.3. Модуль 2, 3 та 4. 62 5.1.4. Модуль 5 - Блокуючий електрод і FT-ICR. 67 5.1.5. Перехід на CPS - порт 5 насоса (PP5). 68 5.1.6. Короткий зміст - Вузькі місця в DPS. 71 5.1.7. Зміни геометрії DPS в Кассіопеї. 71 5.2. Вузькі місця у СПС. 73 5.2.1. BT1 - теплозахисний екран. 76 5.2.2. BT 2-3-4 шикан. 76 5.2.3. Перехід BT4 в BT5. 78 5.2.4. Офіційний офіс 5. 79 5.2.5. BT6 та PP2. 81 5.2.6. BT7. 82 5.3. Преспектрометр. 83 5.3.1. Спектрометр. 83 5.3.2. Трубка преспектрометра з кільцевим електродом. 86 5.4. Головний спектрометр. 88 5.5. Трубка, що передається. 90 6. Короткий зміст та перспективи 95 Література 99 A. Додаток 105 A.1. Джерело іонів. 105 А.2. Положення магнітів WGTS, DPS і CPS. 106 А.3. Геометрія ДПС. 109 А.4. Геометрія CPS. 109 iv

Перелік рисунків 1.1. Бета-спектр. 1 1.2. Спектр сонячного нейтрино. 3 1.3. SNO. 4 1.4. Супер Каміоканде. 6 1.5. Дати Супер Каміоканде. 7 1.6. Частинки майорани проти Дірака. 8 1.7. Подвійний бета-розпад. 9 2.1. Бета-спектр. 12 2.2. КАТРІН. 12 2.3. Доставка WGTS. 13 2.4. Схема WGTS. 14 2.5. Газовий профіль WGTS. 15 2.6. DPS. 17 2.7. ДПС - схема відкачки. 18 2.8. CPS - креслення САПР. 19 2.9. CPS - променеві трубки. 20 2.10. Головний спектрометр. 22 2.11. Детекторна система. 23 2.12. Дефектор вафельний. 24 2.13. Моніторний спектрометр. 24 3.1. Схема ДПС. 25 3.2. Як працює джерело іонів. 27 3.3. УФ-лампа і пропускання вікна лампи. 28 3.4. Спектр УФ-лампи. 28 3.5. PEEK структурна формула. 29 3.6. Крива передачі MдF 2. 30 3.7. Крива пропускання кристала кварцу. 31 3.8. Радіальний електрод. 32 3.9. Тестовий стенд (вид зверху). 32 3.10. Тестовий стенд (перетин). 33 3.11. Іонний струм джерела іонів. 35 3.12. Вимірювання під землею джерела іонів. 36 3.13. Вимірювання під землею джерела іонів: фотоефект. 37 3.14. Демо-малюнок FT-ICR. 38 3.15. Орбіта іонів FT-ICR. 39 3.16. Іони від WGTS. 40 до н

Перелік рисунків 5.31. Потенціал на електроді PS-кільця вздовж осі z. 87 5.32. Потенціал на кільцевому електроді PS вздовж осі х. 87 5.33. Проточний шланг в основному спектрометрі. 88 5.34. Проточний шланг між попереднім і основним спектрометром. 89 5.35. Трубка, що передається. 90 5.36. Передана проточна трубка з дипольною котушкою. 92 5.37. Трубка, що передається, на рівні детектора. 93 А.1. Джерело іонів: вид зверху (CAD). 105 А.2. Джерело іонів: вирізати з розмірами. 105 А.3. Розрахункове положення котушок WGTS. 106 А.4. Розрахункове положення котушок DPS і CPS. 107 А.5. Дизайн котушок DPS. 108 А.6. Дизайн котушок CPS. 108 А.1. Положення кріостатів DPS липень 2015 р. 110 A.2. Кільцевий електрод в модулі 5 DPS. 111 А.3. Положення котушок CPS і променевих труб. 112 А.4. Положення кінцевих балок CPS і торцевих фланців. 113 vii

Перелік таблиць 1.1. Різниця в масових квадратах та кутах змішування нейтрино. 6 3.1. Зсув кінцевої точки β-спектру іонів. 40 3.2. Іони в KATRIN та можливі випробувальні гази. 42 5.1. Нахил котушок магнітів спектрометра. 83 А.1. Осі координат АСГ і Кассіопеї. 109 ix

1. Нейтринна фізика Нейтрино - це найлегші частинки в стандартній моделі фізики частинок з масою спокою. Через свою дуже малу масу та низький рівень взаємодії з будь-якою формою речовини, нейтрино, з одного боку, дуже цікаві, але в той же час надзвичайно важкі для дослідження частинок. 1.1. Історія фізики нейтрино Якщо помилково уявити бета-розпад атомного ядра X на дочірнє ядро ​​Y та електрон як проблему двох тіл, можна дійти висновку, що електрон повинен мати дискретний енергетичний спектр. Z A X Z A + 1 Y + e + E (1.1) Ще в 1914 р. Чадвік зміг показати, що бета-розпад радію не має дискретного, а безперервного спектру. До рисунку 1.1 пройшло ще 16 років: β-спектр радію E [46]. нарешті, в 1930 році Паулі зробив з цього правильні висновки і постулював ще одну частинку, яка бере участь у цьому процесі, яку він назвав нейтроном. Це 1

1.3. Сонячні нейтрино Такаакі Кайіта та Артур Б. Макдональд були нагороджені Нобелівською премією з фізики в 2015 році за доказ коливань нейтрино і, таким чином, за висновок про те, що нейтрино мають масу спокою, що не зникає. 1.3. Сонячні нейтрино Існує два основних способи отримання енергії за рахунок ядерного синтезу в зірках. З одного боку, існує цикл РР, в якому чотири протони ефективно зливаються, утворюючи ядро ​​4 He, а з іншого боку, цикл CNO, в якому по суті чотири протони прикріплені до ядра вуглецю один за одним, і таким чином також ядро ​​4 He Сформуйте ядро. Цикл ПП є домінуючим у зірок із невеликою масою, таких як Сонце, тоді як у важчих зірок і, отже, спекотніших у центрі, цикл CNO виробляє більшу частину енергії. У циклі РР електронні нейтрино з енергіями до 18 МеВ генеруються в декількох точках. Рисунок 1.2.: Спектр сонячного нейтрино з [8]. Більшість нейтрино від Сонця створюються на першому етапі циклу РР p + p 2 D + e + + ν e. (1.7) Однак через їх низьку максимальну енергію 0,425 МеВ ці нейтрино виявити набагато складніше, ніж нейтрино 8 B з реакції 3

1. Фізика нейтрино 8 B 8 Be + e + + ν e, (1.8), в якому нейтрино може отримувати до 15 МеВ. Експеримент з домашньою справою [10], проведений Р. Девісом у 1970-х роках, дав перші докази сонячних нейтрино за допомогою реакції 37 Cl + ν e 37 Ar + e. (1.9) Оскільки експеримент чутливий лише до електронних нейтрино, виявлено менше нейтрино, ніж очікувалося. Це було названо проблемою сонячного нейтрино. Пізніше вирішення цієї проблеми було надано експериментом SNO [4]. SNO працює з 1000 т D 2 O як мішень і, крім пружних зіткнень (ES), чутливий до реакцій через заряджені струми (CC), а також до нейтральних струмів (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) Рисунок 1.3.: Зображення детектора від SNO. Зображення з Національної лабораторії Берклі [36]. За допомогою цього можна визначити потік електронних нейтрино та загальний потік усіх трьох типів i = e, µ, τ. Це показало, що електронні нейтрино від Сонця можуть трансформуватися на шляху між місцем їх виникнення та виявленням в експерименті SNO. Це коливання нейтрино, згадане вище. 4-й

1.4. Атмосферні нейтрино. Крім того, дані дають вказівку на так званий ефект ТПВ (Мічедж-Смірнов-Вольфенштейн) [59]. Це описує, що в присутності багатьох електронів, завдяки когерентному розсіянню вперед зарядженими струмами, нейтрино мають якусь ефективну масу, що впливає на різницю між квадратиками мас mij 2 і, отже, коливання нейтрино. Ефект ТПВ залежить як від щільності електронів, так і від енергії нейтрино. Для нейтрино від сонця з енергією 2). (1.12) Якщо припустити, що існує три масивні нейтрино майорани, можна записати електронне нейтрино таким чином: ν e = 3 U ei ν i. (1.13) i Швидкість розпаду 0νββ пропорційна [48] 2 = 3 i U 2 ei mi 2 = 3 U ei 2 e α imi 2. (1.14) i Після розпаду 0ν ββ проводиться кілька експериментів, напр. Екзо-200 [51], Герда [3] та Немо-3 [6], розшукуються. Якщо експеримент вдається спостерігати за розпадом 0νββ, це показує, що нейтрино є частинкою майорани, і, якщо результати вимірювань будуть достатньо хорошими, можна вказати нижню межу маси нейтрино. 9

2. KATRIN Рисунок 2.1.: Зліва: диференціальний бета-спектр тритію. Справа: Кінцева точка бета-спектру тритію для гіпотетично безмасового нейтрино (синій) та для нейтрино з масою спокою 1 ев (червоний). Зображення адаптоване за [21]. Малюнок 2.2. Експеримент KATRIN складається з декількох компонентів: задньої секції RS, джерела тритію WGTS, секції диференціальної накачки DPS, криогенної секції накачування CPS, преспектрометра PS, основного спектрометра MS та детектора FPD. Зображення від [45]. 12-й

2.2. Компоненти експерименту KATRIN Рисунок 2.3.: WGTS було доставлено до лабораторії тритію (TLK) 10 вересня 2015 року. З приходом WGTS усі основні компоненти експерименту KATRIN зараз знаходяться на місці в Карлсруе. 13

2.2. Компоненти експерименту KATRIN Рисунок 2.5.: Газ тритію (чистота> 95%) впорскується посередині джерела та відкачується по краях (DPS-1F та DPS-1R). Зображення адаптоване за [27] та [45]. 15-й

2. КАТРІН 2.2.2. Задня секція Задня секція розташована в задній частині експерименту KATRIN і виконує кілька завдань. Задня стінка, позолочена берилієва пластина, має великий вплив на електростатичний потенціал у джерелі і, таким чином, має великий вплив на кінцеву точку спектра. Тому дуже важливо, щоб робоча функція була якомога постійнішою по всій площі задньої стінки. У центрі задньої стінки є невеликий отвір, через який можна вистрілити електронним пістолетом. За допомогою цього E-Gun, крім іншого, можна дослідити щільність колони N в WGTS, вимірюючи Nσ. Активність тритію в джерелі також можна контролювати в задній частині. Для цього виявляються рентгенівські промені, які генеруються, коли β-електрони потрапляють у задню стінку від розпаду тритію. Інформацію про моніторинг активності газоподібного джерела тритію можна знайти в [42]. 16

2. KATRIN Рисунок 2.10.: Основний спектрометр працює як фільтр Mac-E. Магнітне поле мінімальне на рівні аналізу. Це перетворює майже всю поперечну енергію електронів у поздовжню енергію. Електричний потенціал є максимальним на рівні аналізу. Зображення адаптоване за [45]. 22-го

2.2. Компоненти експерименту KATRIN 2.2.7. Детектор Рисунок 2.11.: Будова системи детекторів. Детектор розташований трохи позаду центру магніту детектора в магнітному полі 3,3Т. На малюнку також показано електрод після прискорення (PAE), який забезпечує компенсацію енергії електронам. Джерелами калібрування є гамма-джерело 241 Am та титановий диск з ультрафіолетовим випромінюванням. Зображення від [21]. Основний детектор експерименту KATRIN (FPD = детектор фокальної площини), по суті, має завдання підрахунку вхідних електронів. Аналіз енергії вже проводиться головним спектрометром. Детектор складається з 148 діодів PIN, кожен з яких має однакову площу і розміщений у кільцевій структурі. 148 пікселів утворюють коло діаметром 90 мм і таким чином бачать магнітний потік 210Tcm2. Додаткову інформацію про систему детекторів можна знайти в [5]. 23

2. KATRIN Рисунок 2.12.: Ви можете бачити задню частину пластини детектора. Детектор розділений на 148 пікселів, які оточені захисним кільцем та кільцем зміщення [45]. Зображення від [33]. 2.2.8. Моніторний спектрометр Моніторний спектрометр являє собою бак UHV довжиною 3 м і шириною 1 м, який використовувався KATRIN як спектрометр у попередньому експерименті в Майнці. Внутрішня електродна система цього спектрометра підключена до системи високої напруги головного спектрометра. Це означає, що моніторний спектрометр можна використовувати для моніторингу довгострокової стабільності високої напруги головного спектрометра. Для цього в системі є джерело Кр 83 м, яке генерує моноенергетичні електрони з енергією 17824,3 ± 0,5 ев. Оскільки ця лінія трохи нижче кінцевої енергії тритію, джерело також розміщено на потенціалі. Положення лінії можна визначити, варіюючи цей потенціал. Якщо це з часом зміниться, це буде свідченням потенційного тривалого дрейфу високої напруги на основному спектрометрі. Рисунок 2.13.: Будова моніторного спектрометра. а) тримач джерела, б) і г) надпровідні магніти, в) спектрометр з котушкою повітряного сердечника д) детектор. Зображення адаптоване за [33]. 24

3.2. ELIOTT-II, джерело іонів для тестування ДФС Рисунок 3.2.: Функція джерела іонів: УФ-світло потрапляє на катодне вікно, золоте покриття якого розміщено на негативному потенціалі. Там електрони вибиваються фотоефектом, які прискорюються електродом позитивного прискорення і можуть іонізувати молекули газу. Позитивно заряджені іони, що виникають між прискорювальним та екстракторним електродами, згуртовуються в зоні циліндра і прискорюються в напрямку екстракторного електрода. З іншого боку, електрони уповільнюються негативним витяжним електродом і не можуть пропустити його. Зображення від [57]. 27

3. Іонне джерело для випробування DPS - ELIOTT II а) б) Рисунок 3.3.: А) Пропускання вікна MдF 2 ультрафіолетової лампи [32]. б) Зображення УФ-лампи [32]. Малюнок 3.4.: Відносний спектр УФ-лампи за даними виробника [32]. 28

3. Іонне джерело для випробування DPS - ELIOTT II Рисунок 3.8.: Радіальний електрод, як запропоновано М. Золлем [61] 3.2.2.10. Котушка для випробувального стенду Для того, щоб мати можливість перевірити джерело іонів, була побудована котушка з трубки з нержавіючої сталі та емальованого мідного дроту. Котушка має довжину 300 мм і внутрішній діаметр близько 150 мм. Котушка має омічний опір R 1,5 Ом і може працювати безперервно зі струмом I = 10 А. Поле в центрі котушки близько B = 14mT. Для охолодження котушки можна використовувати два наявні у продажу вентилятори. 3.2.3. Налаштування випробувань Для характеристики джерела іонів було побудовано випробувальний стенд (рис. 3.9 та 3.10). Він складається з труби CF-100, до якої джерело іонів може бути фланцевим, мідної пластини для вимірювання струму, магнітної котушки, описаної в 3.2.2.10, та вакуумної системи з входом газу та манометром. Рисунок 3.9.: Вигляд випробувального стенду (модель) 32

3.2. ELIOTT-II, джерело іонів для випробування DPS acegikbdfhmn Рисунок 3.10.: Вертикальний переріз випробувального стенду (модель CAD) a) УФ-лампа b) Фланець ISO-KF DN16 для евакуації труби між лампою та вікном c) Алюмінієва труба для вищого Відбивна здатність в УФ-діапазоні d) Ізолятор для втулки (розрахований принаймні на 2 кВ) e) CF-DN100 фланець для кріплення джерела до інших вакуумних компонентів f) Електричні втулки (мідні) g) Ізолятор для електричної ізоляції катодного вікна h) Катодне вікно i ) Електроди m) Мідна пластина (працює як чашка Фарадея) k) Прохід для мідної пластини n) Фланець ISO-KF DN25 для евакуації випробувального стенду 33