Konštrukcia zdroja iónov a simulácia transportných vlastností DPS a CPS na KATRÍNE

Konštrukcia zdroja iónov a simulácia transportných vlastností DPS a CPS na experimente KATRIN Diplomová práca Rudolfa Sacka z Fakultného ústavu fyziky experimentálnej jadrovej fyziky (IEKP) Prvý recenzent: Druhý recenzent: Vedúci: Prof. G. Drexlin Prof. U. Husemann Dr. F. Glück 31. októbra 2014 28. októbra 2015

iónov

Karlsruhe Institute of Technology Fakulta fyziky 76128 Karlsruhe

Pravdivo potvrdzujem, že práca bola vykonaná nezávisle, že som úplne a presne špecifikoval všetky použité pomôcky a všetko, čo bolo prevzaté z práce ostatných, som identifikoval nezmenené alebo so zmenami. Karlsruhe, 29. októbra 2015. (Rudolf Sack)

Obsah 1. Fyzika neutrínov 1 1.1. Dejiny fyziky neutrín. 1 1.2. Neutrínová oscilácia. 2 1.3. Slnečné neutrína. 3 1.4. Atmosférické neutrína. 5 1.5. Parametre fyziky neutrín. 5 1.5.1. Častice majoránky vs. Dirac. 8 2. KATRIN 11 2.1. Princíp merania KATRIN. 11 2.2. Zložky experimentu KATRIN. 11 2.2.1. Zdroj trícia (WGTS). 11 2.2.2. Zadná časť. 16 2.2.3. Sekcia diferenciálneho čerpania (DPS). 17 2.2.4. Sekcia kryogénneho čerpadla (CPS). 19 2.2.5. Prespectrometer. 20 2.2.6. Hlavný spektrometer. 21 2.2.7. Detektor. 23 2.2.8. Monitorujte spektrometer. 24 3. Zdroj iónov na testovanie DPS - ELIOTT II 25 3.1. Motivácia - stanovenie iónov a blokovanie iónov v DPS. 25 3.2. ELIOTT-II, zdroj iónov na testovanie DPS. 26 3.2.1. Ako funguje zdroj iónov ELIOTT-II. 26 3.2.2. Použité komponenty a materiály. 26 3.2.3. Vyskúšajte nastavenie. 32 3.2.4. Závislosť produkcie iónov od tlaku a napätia. 34 3.2.5. Podzemie. 34 3.3. FT-ICR. 38 3.3.1. Rámcové podmienky pre FT-ICR v KATRÍNE. 39 3.3.2. Úlohy v spoločnosti KATRIN. 39 3.3.3. Plánované nastavenie testu pre FT-ICR. 42 4. Prietoková hadica v prepravnej časti 45 4.1. Riečna hadica pri KATRÍNI. 45 4.2. Simulácia prietokovej trubice. 45 iii

Obsah 4.3. Posunutie prietokovej hadice. 4.3.1. Dipólové cievky WGTS. 4.3.2. Naklonené magnety. 49 4.3.3. Namerané naklonenie a posunutie magnetov DPS . 49 4.3.4. Poloha kryostatov. 49 4.3.5. Nakloňte magnet do polohy 3 DPS. 51 4.3.6. Poloha a sklon CPS cievok. 51 4.4. Odstránenie zúžených miest zmenou globálneho magnetického poľa 55 5. Úzke miesta a zmeny v dizajne 57 5.1. Úzke miesta a zmeny dizajnu v DPS. 5.1.1. PP0. 5.1.2. Modul 1 - starý FT-ICR a modul na zníženie prietoku plynu. 5.1.3. Modul 2, 3 a 4. 62 5.1.4. Modul 5 - Blokovacia elektróda a FT-ICR. 67 5.1.5. Prechod na CPS - port čerpadla 5 (PP5). 5.1.6. Zhrnutie - úzke miesta v DPS. 71 5.1.7. Zmeny v geometrii DPS v Cassiopeii. 71 5.2. Úzke miesta v CPS. 73 5.2.1. BT1 - tepelný štít. 76 5.2.2. BT 2-3-4 šikana. 76 5.2.3. Prechod z BT4 na BT5. 78 5.2.4. Úradná kancelária 5. 79 5.2.5. BT6 a PP2. 81 5.2.6. BT7. 82 5.3. Prespectrometer. 83 5.3.1. Spektrometer. 83 5.3.2. Trubica lúča prespektrometra s prstencovou elektródou. 86 5.4. Hlavný spektrometer. 88 5,5. Prenosová trubica. 90 6. Zhrnutie a výhľad 95 Literatúra 99 A. Príloha 105 A.1. Iónový zdroj. 105 A.2. Poloha magnetov WGTS, DPS a CPS. 106 A.3. Geometria DPS. 109 A.4. Geometria CPS. 109 iv

Zoznam obrázkov 1.1. Beta spektrum. 1 1.2. Solárne neutrínové spektrum. 3 1.3. SNO. 4 1.4. Super Kamiokande. 6 1.5. Termíny Super Kamiokande. 7 1.6. Častice Majorana vs. Dirac. 8 1.7. Dvojitý rozpad beta. 9 2.1. Beta spektrum. 12 2.2. KATRÍN. 12 2.3. Dodanie WGTS. 13 2.4. Schéma WGTS. 14 2.5. Profil plynu WGTS. 15 2.6. DPS. 17 2.7. DPS - schéma čerpania. 18 2.8. CPS - CAD výkres. 19 2.9. CPS - lúčové trubice. 20 2.10. Hlavný spektrometer. 22 2.11. Detekčný systém. 23 2.12. Detektorová oblátka. 24 2.13. Monitorujte spektrometer. 24 3.1. Schéma DPS. 25 3.2. Ako funguje zdroj iónov. 27 3.3. UV lampa a priechod okna lampy. 28 3.4. Spektrum UV lampy. 28 3.5. PEEK štruktúrny vzorec. 29 3.6. Krivka prenosu MдF 2. 30 3.7. Krivka prenosu kremeňa. 31 3.8. Radiálna elektróda. 32 3.9. Skúšobný stojan (pohľad zhora). 32 3.10. Skúšobná stanica (prierez). 33 3.11. Iónový prúd zdroja iónov. 35 3.12. Podzemné skúšobné meranie zdroja iónov. 36 3.13. Testovacie meranie zdroja iónov na pozadí: fotoefekt. 37 3.14. Demo kresba FT-ICR. 38 3.15. Iónová dráha FT-ICR. 39 3.16. Ióny z WGTS. 40 pred Kr

Zoznam obrázkov 5.31. Potenciál na prstencovej elektróde PS pozdĺž osi z. 87 5,32. Potenciál na prstencovej elektróde PS pozdĺž osi x. 87 5,33. Prietoková hadica v hlavnom spektrometri. 88 5,34. Prietoková hadica medzi predbežným a hlavným spektrometrom. 89 5,35. Prenosová trubica. 90 5,36. Prenosová trubica s dipólovou cievkou. 92 5,37. Prepustená prietoková trubica v úrovni detektora. 93 A.1. Iónový zdroj: pohľad zhora (CAD). 105 A.2. Iónový zdroj: výrez s rozmermi. 105 A.3. Dizajnové umiestnenie cievok WGTS. 106 A.4. Konštrukčná poloha cievok DPS a CPS. 107 A.5. Dizajn cievok DPS. 108 A.6. Dizajn CPS cievok. 108 A.1. Pozícia kryostatov DPS júl 2015. 110 A.2. Krúžková elektróda v module 5 DPS. 111 A.3. Umiestnenie CPS cievok a lúčových rúrok. 112 A.4. Poloha koncových rúrok CPS a koncových prírub. 113 vii

Zoznam tabuliek 1.1. Rozdiely v hmotnostných štvorcoch a uhloch miešania neutrín. 6 3.1. Posun koncového bodu β spektra iónov. 40 3.2. Ióny v spoločnosti KATRIN a možné skúšobné plyny. 42 5.1. Nakláňanie cievok magnetov spektrometra. 83 A.1. Súradnicové osi ASG a Cassiopeia. 109 ix

1. Neutrínová fyzika Neutrína sú najľahšie častice v štandardnom modeli časticovej fyziky s pokojovou hmotnosťou. Vďaka svojej veľmi nízkej hmotnosti a nízkej úrovni interakcie s akoukoľvek formou hmoty sú neutrína na jednej strane veľmi zaujímavé, ale zároveň mimoriadne ťažké ich skúmať. 1.1. História fyziky neutrínov Ak si človek nesprávne predstavuje beta rozpad atómového jadra X na dcérske jadro Y a elektrón ako problém dvoch telies, dôjde k záveru, že elektrón musí mať diskrétne energetické spektrum. Z A X Z A + 1 Y + e + E (1.1) Už v roku 1914 dokázal Chadwick preukázať, že beta rozpad rádia nemá diskrétne, ale spojité spektrum. Trvalo ďalších 16 rokov, kým obrázok 1.1.: Β spektrum rádia E [46]. nakoniec v roku 1930 z toho Pauli vyvodil správne závery a postuloval ďalšiu časticu zapojenú do tohto procesu, ktorú nazval neutrónom. Tento 1

1.3. Solar Neutrinos Takaaki Kajita a Arthur B. McDonald dostali v roku 2015 Nobelovu cenu za fyziku za dôkaz oscilácie neutrín, a teda za zistenie, že neutrína majú nezanikajúcu zvyškovú hmotnosť. 1.3. Slnečné neutrína Existujú dva hlavné spôsoby, ako sa energia generuje pomocou jadrovej fúzie vo hviezdach. Na jednej strane je to PP cyklus, v ktorom sú štyri protóny účinne fúzované za vzniku 4 He jadra a na druhej strane CNO cyklus, v ktorom sú v podstate štyri protóny pripojené k uhlíkovému jadru jeden za druhým, a týmto spôsobom aj 4 He jadro Vytvorte jadro. Cyklus PP je dominantný u hviezd s nízkou hmotnosťou, ako je slnko, zatiaľ čo u hviezd s hmotnosťou ťažších, a teda horúcich v strede, produkuje väčšinu energie cyklus CNO. V PP cykle sa na niekoľkých bodoch generujú elektrónové neutrína s energiami až 18 MeV. Obrázok 1.2: Solárne neutrínové spektrum z [8]. Väčšina neutrín zo slnka sa vytvára v prvom kroku cyklu PP p + p 2 D + e + + ν e. (1.7) Avšak vzhľadom na ich nízku maximálnu energiu 0,425 MeV je zistenie týchto neutrín oveľa ťažšie ako 8 B neutrín z reakcie 3

1. Neutrínová fyzika 8 B 8 Be + e + + ν e, (1,8), v ktorej môže neutríno prijímať až 15 MeV. Experiment s domácimi zvieratami [10], ktorý viedol R. Davis v 70. rokoch, priniesol prvý dôkaz o slnečných neutrínach pomocou reakcie 37 Cl + ν e 37 Ar + e. (1.9) Pretože experiment je citlivý iba na elektrónové neutrína, bolo nájdených menej neutrín, ako sa očakávalo. Toto sa nazývalo problém solárnych neutrín. Riešenie tohto problému neskôr priniesol experiment SNO [4]. SNO pracuje s 1 000 t D 2 O ako terčom a okrem elastických kolízií (ES) je citlivý na reakcie cez nabíjané prúdy (CC), ako aj na neutrálne prúdy (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) Obrázok 1.3.: Obrázok detektora zo SNO. Obrázok z Berkeley National Laboratory [36]. Týmto spôsobom je možné určiť tok elektrónových neutrín a celkový tok všetkých troch typov i = e, µ, τ. To ukázalo, že elektrónové neutrína zo slnka sa môžu transformovať na ceste medzi miestom ich pôvodu a detekciou v experimente SNO. Toto je vyššie spomínaná oscilácia neutrín. 4

1.4. Atmosférické neutrína Okrem toho údaje poskytujú indikáciu takzvaného efektu MSW (Michejew-Smirnow-Wolfenstein) [59]. Toto popisuje, že za prítomnosti mnohých elektrónov majú neutrína v dôsledku koherentného dopredného rozptylu prostredníctvom nabitých prúdov akúsi efektívnu hmotnosť, ktorá ovplyvňuje rozdiel medzi štvorcami hmotnosti mij 2 a tým aj osciláciou neutrín. Účinok MSW závisí ako od hustoty elektrónov, tak od energie neutrín. Pre neutrína zo slnka s energiou 2). (1.12) Ak niekto predpokladá, že existujú tri mohutné neutrína Majorana, môže napísať elektrónové neutríno takto: ν e = 3 U ei ν i. (1.13) i Rýchlosť rozkladu 0νββ je preto úmerná [48] 2 = 3 i U 2 ei mi 2 = 3 U ei 2 e α imi 2. (1.14) i Po rozpade 0νββ sa uskutočňuje niekoľko experimentov, napr. Exo-200 [51], Gerda [3] a Nemo-3 [6] hľadali. Ak sa experimentu podarí pozorovať rozpad 0νββ, ukazuje to, že neutríno je častica Majorany, a ak sú výsledky merania dosť dobré, je možné určiť dolnú hranicu hmotnosti neutrín. 9

2. KATRIN Obrázok 2.1.: Vľavo: diferenciálne beta spektrum trícia. Vpravo: Koncový bod beta spektra trícia pre hypoteticky bezhmotné neutríno (modré) a pre neutríno s pokojovou hmotnosťou 1 ev (červené). Obrázok upravený z [21]. Obrázok 2.2.: Experiment KATRIN sa skladá z niekoľkých komponentov: Zadná časť RS, zdroj trícia WGTS, časť diferenciálnej pumpy DPS, časť kryogénnej pumpy CPS, predspektrometer PS, hlavný spektrometer MS a detektor FPD. Obrázok z [45]. 12

2.2. Komponenty experimentu KATRIN Obrázok 2.3.: WGTS bol transportovaný do tritiového laboratória (TLK) 10. septembra 2015. S príchodom WGTS sú všetky hlavné komponenty experimentu KATRIN teraz v Karlsruhe. 13

2.2. Zložky experimentu KATRIN Obrázok 2.5.: Plynný trícium (čistota> 95%) sa vstrekuje do stredu zdroja a odčerpáva sa na okrajoch (DPS-1F a DPS-1R). Obrázok upravený z [27] a [45]. 15

2. KATRÍN 2.2.2. Zadná časť Zadná časť je umiestnená na zadnom konci experimentu KATRIN a spĺňa niekoľko úloh. Zadná stena, pozlátená berýliová doska, má hlavný vplyv na elektrostatický potenciál v zdroji, a má teda zásadný vplyv na koncový bod spektra. Je preto veľmi dôležité, aby bola pracovná funkcia po celej ploche zadnej steny čo najviac konštantná. V strede zadnej steny je malý otvor, ktorým sa dá vystreliť e-zbraň. S týmto E-Gunom sa dá okrem iného zistiť hustota stĺpca N vo WGTS meraním Nσ. Aktivitu trícia v zdroji je možné sledovať aj v zadnej časti. Na tento účel sa detegujú röntgenové lúče, ktoré vznikajú, keď sa β-elektróny z trícia rozpadnú na zadnej stene. Informácie o monitorovaní aktivity plynného zdroja trícia možno nájsť v [42]. 16

2. KATRIN Obrázok 2.10.: Hlavný spektrometer funguje ako filter Mac-E. Magnetické pole je na úrovni analýzy minimálne. Vďaka tomu sa takmer všetka priečna energia elektrónov premení na energiu pozdĺžnu. Elektrický potenciál je na úrovni analýzy maximálny. Obrázok upravený z [45]. 22

2.2. Komponenty experimentu KATRIN 2.2.7. Detektor Obrázok 2.11: Štruktúra detektorového systému. Detektor je umiestnený mierne za stredom magnetu detektora v magnetickom poli 3,3 T. Obrázok tiež ukazuje post-akceleračnú elektródu (PAE), ktorá poskytuje energetický posun elektrónov. Kalibračnými zdrojmi sú zdroj žiarenia 241 Am a titánový disk osvetlený ultrafialovým žiarením. Obrázok z [21]. Hlavný detektor experimentu KATRIN (FPD = detektor ohniskovej roviny) má v podstate úlohu spočítavať prichádzajúce elektróny. Energetickú analýzu už vykonáva hlavný spektrometer. Detektor sa skladá zo 148 PIN diód, z ktorých všetky majú rovnakú plochu a sú usporiadané do kruhovej štruktúry. 148 pixelov tvorí kruh s priemerom 90 mm a vidí tak magnetický tok 210 Tcm 2. Ďalšie informácie o detekčnom systéme nájdete v [5]. 23

2. KATRIN Obrázok 2.12.: Vidíte zadnú stranu plátu detektora. Detektor je rozdelený na 148 pixelov, ktoré sú obklopené ochranným krúžkom a zaujatým krúžkom [45]. Obrázok z [33]. 2.2.8. Monitorovací spektrometer Monitorovací spektrometer je 3 m dlhá a 1 m široká UHV nádrž, ktorú KATRIN použil ako spektrometer v predošlom experimente v Mainzi. Systém vnútorných elektród tohto spektrometra je pripojený k vysokonapäťovému systému hlavného spektrometra. To znamená, že monitorovací spektrometer je možné použiť na sledovanie dlhodobej stability vysokého napätia hlavného spektrometra. Na tento účel je v systéme zdroj 83m Kr, ktorý generuje monoenergetické elektróny s energiou 17824,3 ± 0,5 ev. Pretože táto čiara je mierne pod koncovým bodom energie trícia, zdroj je tiež umiestnený na potenciáli. Pozíciu vedenia možno určiť zmenou tohto potenciálu. Ak sa to časom zmení, znamenalo by to potenciálny dlhodobý drift vysokého napätia na hlavnom spektrometri. Obrázok 2.13: Štruktúra monitorovacieho spektrometra. a) držiak zdroja, b) a d) supravodivé magnety, c) spektrometer s cievkou vzduch-jadro e) detektor. Obrázok upravený z [33]. 24

3.2. ELIOTT-II, zdroj iónov na testovanie DPS Obrázok 3.2: Fungovanie zdroja iónov: UV svetlo dopadá na katódové okno, ktorého zlatý povlak je vystavený negatívnemu potenciálu. Tam sú fotoefektom vyrazené elektróny, ktoré sú urýchľované elektródou s pozitívnym zrýchlením a môžu ionizovať molekuly plynu. Kladne nabité ióny, ktoré vznikajú medzi urýchľovačom a extraktorovými elektródami, sa zhromažďujú v oblasti valca a urýchľujú sa v smere k extraktorovej elektróde. Na druhej strane elektróny spomaľuje negatívna extraktorová elektróda a nemôžu ňou prechádzať. Obrázok z [57]. 27

3. Zdroj iónov na testovanie DPS - ELIOTT II a) b) Obrázok 3.3: a) Prenos okienka MдF 2 UV lampy [32]. b) Obrázok UV lampy [32]. Obrázok 3.4: Relatívne spektrum UV lampy podľa výrobcu [32]. 28

3. Zdroj iónov na testovanie DPS - ELIOTT II Obrázok 3.8: Radiálna elektróda podľa návrhu M. Zolla [61] 3.2.2.10. Cievka pre skúšobný stojan Aby bolo možné otestovať zdroj iónov, bola vyrobená cievka z rúrky z nehrdzavejúcej ocele a smaltovaného medeného drôtu. Cievka má dĺžku 300 mm a vnútorný priemer asi 150 mm. Cievka má ohmický odpor R 1,5 Ω a môže byť prevádzkovaná nepretržite s prúdom I = 10 A. Pole v strede cievky je asi B = 14mT. Na ochladenie cievky je možné použiť dva komerčne dostupné ventilátory. 3.2.3. Nastavenie testu Na charakterizáciu zdroja iónov bola postavená testovacia stanica (obr. 3.9 a 3.10). Skladá sa z trubice CF-100, ku ktorej je možné pripájať zdroj iónov, medenej platne na meranie prúdu, magnetickej cievky opísanej v bode 3.2.2.10 a vákuového systému s prívodom plynu a tlakomerom. Obrázok 3.9.: Pohľad na testovací stojan (model) 32

3.2. ELIOTT-II, zdroj iónov na testovanie DPS acegikbdfhmn Obrázok 3.10: Vertikálny prierez testovacej stanice (model CAD) a) UV lampa b) ISO-KF DN16 príruba na odvádzanie potrubia medzi lampou a oknom c) Hliníková rúrka pre vyššie Odrazivosť v UV rozsahu d) Izolátor priechodky (dimenzovaný minimálne na 2 kv) e) Príruba CF-DN100 na pripojenie zdroja k iným vákuovým komponentom f) Elektrické priechodky (meď) g) Izolátor na elektrickú izoláciu katódového okna h) Katódové okno i ) Elektródy m) Medená doska (funguje ako Faradayov pohár) k) Priechod pre medenú dosku n) Príruba ISO-KF DN25 na vyprázdnenie skúšobného stojana 33