Изградба на јонски извор и симулација на транспортните својства на ДПС и СПС на КАТРИН

Изградба на извор на јони и симулација на транспортните својства на DPS и CPS на експериментот КАТРИН Магистерски труд на Рудолф Сак на Факултетот за физика Институт за експериментална нуклеарна физика (ИЕКП) Прв рецензент: Втор рецензент: Супервизор: Проф. Г. Дрекслин Проф. У. Хусеман Др. Ф. Глик 31 октомври 2014 година 28 октомври 2015 година

јонски

Карлсруе Институт за технологија Факултет за физика 76128 Карлсруе

Јас искрено потврдувам дека работата е извршена независно, дека целосно и прецизно ги наведов сите употребени помагала и дека идентификував сè што е земено од работата на другите непроменето или со измени. Карлсруе, 29 октомври 2015 година. (Рудолф Сак)

Содржина 1. Неутрино физика 1 1.1. Историја на физиката на неутрино. 1 1.2. Осцилација на неутрино. 2 1.3. Соларни неутрини. 3 1.4. Атмосферски неутрини. 5 1.5. Параметри на физиката на неутрино. 5 1.5.1. Честички Дирак наспроти риган. 8 2. КАТРИН 11 2.1. Принципот на мерење КАТРИН. 11 2.2. Компоненти на експериментот КАТРИН. 11 2.2.1. Извор на тритиум (WGTS). 11 2.2.2. Заден дел. 16 2.2.3. Пресек на диференцијално пумпање (ДПС). 17 2.2.4. Делот за криогена пумпа (CPS). 19 2.2.5. Преспектрометар. 20 2.2.6. Главен спектрометар. 21 2.2.7. Детектор 23 2.2.8. Спектрометар за следење. 24 3. Јонски извор за тестирање на ДПС - ЕЛИОТТ II 25 3.1. Мотивација - определување на јони и блокирање на јони во ДПС. 25 3.2. ЕЛИОТТ-II, јонски извор за тестирање на ДПС. 26 3.2.1. Како работи изворот на јони ELIOTT-II. 26 3.2.2. Компоненти и користени материјали. 26 3.2.3. Поставување тест. 32 3.2.4. Зависност од притисок и напон на производство на јони. 34 3.2.5. Под земја. 34 3.3. FT-ICR. 38 3.3.1. Рамковни услови за FT-ICR во КАТРИН. 39 3.3.2. Задачи на КАТРИН. 39 3.3.3. Планирано поставување тест за FT-ICR. 42 4. Црево за проток во делот за транспорт 45 4.1. Речното црево кај КАТРИН. 45 4.2. Симулација на проточна цевка. 45 iii

Содржина 4.3. Поместување на цревото за проток. 45 4.3.1. Диплолни калеми WGTS. 46 4.3.2. Навалени магнети. 49 4.3.3. Измерено навалување и поместување на магнетите на DPS . 49 4.3.4. Позиција на криостатите. 49 4.3.5. Навалете го магнетот во положба 3 на DPS. 51 4.3.6. Позиција и навалување на калемите CPS. 51 4.4. Елиминација на тесните грла со промена на глобалното магнетно поле 55 5. Тесните грла и промените во дизајнот 57 5.1. Тесни грла и промени во дизајнот во ДПС. 57 5.1.1. ПП0. 58 5.1.2. Модул 1 - стар FT-ICR и модул за намалување на протокот на гас. 58 5.1.3. Модул 2, 3 и 4. 62 5.1.4. Модул 5 - Електрода за блокирање и FT-ICR. 67 5.1.5. Транзиција кон CPS - приклучок за пумпа 5 (PP5). 68 5.1.6. Резиме - Тесни грла во ДПС. 71 5.1.7. Промени во геометријата на ДПС во Касиопеја. 71 5.2. Тесни грла во СПС. 73 5.2.1. BT1 - топлински штит. 76 5.2.2. БТ 2-3-4 шикан. 76 5.2.3. Преод BT4 до BT5. 78 5.2.4. Службена канцеларија 5. 79 5.2.5. BT6 и PP2. 81 5.2.6. БТ7. 82 5.3. Преспектрометар. 83 5.3.1. Спектрометар. 83 5.3.2. Презметрометарска зрачна цевка со електрода на прстен. 86 5.4. Главен спектрометар. 88 5.5. Пренесена цевка за проток. 90 6. Резиме и изгледи 95 Литература 99 A. Додаток 105 А.1. Јон извор. 105 А.2. Позиција на магнетите на WGTS, DPS и CPS. 106 А.3. Геометрија на ДПС. 109 А.4. Геометрија на СПС. 109 iv

Список на бројки 1.1. Бета спектар. 1 1.2. Соларен спектар на неутрини. 3 1.3 СНО. 4 1.4. Супер Камиоканде. 6 1.5. Датуми на Супер Камиоканде. 7 1.6. Честички Махорана наспроти Дирак. 8 1.7. Двојно бета-распаѓање. 9 2.1. Бета спектар. 12 2.2. КАТРИН. 12 2.3. Испорака на WGTS. 13 2.4. Шема на WGTS. 14 2.5. Профил на гас WGTS. 15 2.6. ДПС. 17 2.7. ДПС - шема на пумпање. 18 2.8. CPS - CAD цртеж. 19 2.9. CPS - зрачни цевки. 20 2.10. Главен спектрометар. 22 2.11. Систем на детектори. 23 2.12. Нафора детектор. 24 2.13. Спектрометар за монитор. 24 3.1. Шема за ДПС. 25 3.2. Како работи изворот на јони. 27 3.3. УВ ламба и пренос на прозорецот на ламбата. 28 3.4. Спектар на УВ ламби. 28 3.5. EKИВ структурна формула. 29 3.6. Крива на пренос MдF 2. 30 3.7. Крива на кварцен кристален пренос. 31 3.8. Радијална електрода. 32 3.9. Тест стој (горен поглед). 32 3.10. Тест стој (пресек). 33 3.11. Јонска струја на јонскиот извор. 35 3.12. Мерење на подземен тест на изворот на јони. 36 3.13. Мерење на тест во позадина на изворот на јони: фото-ефект. 37 3.14. Демо-цртеж на FT-ICR. 38 3.15. Орбита на јони FT-ICR. 39 3.16. Јони од WGTS. 40 п.н.е.

Список на слики 5.31. Потенцијал на електродата на прстенестиот PS долж оската z. 87 5,32. Потенцијал на електродата на прстенестиот PS долж оската x. 87 5,33. Црево за проток во главниот спектрометар. 88 5,34. Црево за проток помеѓу прелиминарниот и главниот спектрометар. 89 5,35. Пренесена цевка за проток. 90 5,36. Пренесена цевка за проток со диполска серпентина. 92 5,37. Пренесена цевка за проток во ниво на детектор. 93 А.1. Извор на јон: врвен приказ (CAD). 105 А.2. Извор на јон: сече со димензии. 105 А.3. Дизајн позиција на WGTS калеми. 106 А.4. Дизајн позиција на DPS и CPS калеми. 107 А.5. Дизајн на калеми за ДПС. 108 А.6. Дизајн на калеми CPS. 108 А.1. Позиција на DPS криостатите јули 2015 година. 110 А.2. Прстенеста електрода во модулот 5 на DPS. 111 А.3. Позиција на CPS калемите и цевките на зракот. 112 А.4. Позиција на цевките на крајниот зрак CPS и крајните прирабници. 113 vii

Список на табели 1.1. Разлики во масовни квадрати и мешање на агли на неутрини. 6 3.1. Крајна точка на поместување на β спектарот на јони. 40 3.2. Јони на КАТРИН и можни тест гасови. 42 5.1. Навалување на калемите на магнетите на спектрометарот. 83 А.1. Координирани оски на ASG и Касиопеја. 109 ix

1. Неутрино физика Неутриносите се најлесните честички во Стандардниот модел на физика на честички со маса на мирување. Поради нивната многу мала маса и ниското ниво на интеракција со која било форма на материја, неутрините се од една страна многу интересни, но во исто време се и исклучително тешки за истражување на честичките 1.1. Историјат на физиката на неутрино Ако некој лажно го замисли распаѓањето на бета-атомското јадро Х во ќерско јадро Y и електрон како проблем со две тела, се доаѓа до заклучок дека електронот мора да има дискретен енергетски спектар. Z A X Z A + 1 Y + e + E (1.1) Уште во 1914 година, Чадвик можеше да покаже дека бета распаѓањето на радиумот нема дискретен, но континуиран спектар. Потребни беа уште 16 години до Слика 1.1.: Β спектар на радиум Е [46]. Конечно, во 1930 година, Паули ги извлече вистинските заклучоци од ова и претстави уште една честичка вклучена во овој процес, која ја нарече неутрон. Овој 1

1.3. Соларниот неутринос Такааки Кајита и Артур Б. Мекдоналд беа наградени со Нобелова награда за физика во 2015 година за докажување на осцилацијата на неутрино и со тоа откритие дека неутрините имаат маса на мирување што не исчезнува. 1.3. Соларни неутрини Постојат два главни начина на кои енергијата се генерира со нуклеарна фузија во starsвездите. Од една страна, постои ПП циклус, во кој четири протони ефикасно се спојат за да формираат јадро 4 He, а од друга страна ЦНО циклус во кој во суштина четири протони се прикачени на јаглеродно јадро, и на овој начин исто така и 4 He Формирајте го јадрото. ЦП циклусот е доминантен кај starsвездите со мала маса како сонцето, додека кај потешките starsвезди, а со тоа и потопло во центарот, ЦНО циклусот произведува најголем дел од енергијата. Во ПП циклусот, електронските неутрини со енергија до 18 MeV се генерираат во неколку точки. Слика 1.2.: Соларен спектар на неутрини од [8]. Повеќето неутрини од сонцето се создаваат во првиот чекор од ПП циклусот p + p 2 D + e + + ν e. (1.7) Сепак, поради нивната мала максимална енергија од 0,425 MeV, овие неутрини се многу потешко да се детектираат отколку 8-те неутрини Б од реакцијата 3

1. Неутрино физика 8 B 8 Be + e + + ν e, (1.8) во која неутриното може да прими до 15 MeV. Експериментот за домашно минување [10] предводен од Р. Дејвис во 70-тите години на минатиот век ги обезбеди првите докази за соларни неутрини со помош на реакцијата 37 Cl + ν e 37 Ar + e. (1.9) Бидејќи експериментот е чувствителен само на електронски неутрини, пронајдени се помалку неутрини отколку што се очекуваше. Ова е наречено проблем на сончевиот неутрино. Решението за овој проблем подоцна беше дадено со експериментот на СНО [4]. SNO работи со 1000 t D 2 O како цел и е чувствителен на еластични судири (ES), како и на реакции преку наелектризирани струи (CC) и на неутрални струи (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) Слика 1.3.: Слика на детекторот од СНО. Слика од Националната лабораторија во Беркли [36]. Ова овозможува да се одреди флуксот на електронските неутрини и вкупниот флукс од сите три типа i = e, μ, τ. Може да се покаже дека електронските неутрини од сонцето можат да се трансформираат на патот помеѓу нивното место на потекло и откривањето во експериментот на СНО. Ова е горенаведената осцилација на неутрината. 4-ти

1.4. Атмосферски неутрини Покрај тоа, податоците даваат индикација за таканаречениот ефект на MSW (Michejew-Smirnow-Wolfenstein) [59]. Ова опишува дека во присуство на многу електрони, поради кохерентно расејување напред преку наелектризирани струи, неутрините имаат еден вид ефективна маса, што влијае на разликата помеѓу масените квадрати mij 2, а со тоа и на осцилацијата на неутрината. Ефектот на MSW зависи од густината на електроните, како и од енергијата на неутрините. За неутрини од сонцето со енергија 2). (1.12) Ако некој претпостави дека има три масивни неутрини од Маџорана, може да се напише електронско неутрино на следниов начин: ν e = 3 U ei ν i. (1.13) i Брзината на распаѓање 0νββ е пропорционална на [48] 2 = 3 i U 2 ei mi 2 = 3 U ei 2 e α imi 2. (1.14) i По распаѓањето 0ν ββ, извршени се неколку експерименти, на пр. Барале Егзо-200 [51], Герда [3] и Немо-3 [6]. Ако еден експеримент успее да го набудува распаѓањето 0νββ, ова покажува дека неутриното е честичка Махорана, и ако резултатите од мерењето се доволно добри, може да се наведе пониска граница за масата на неутрино. 9

2. КАТРИН Слика 2.1.: Лево: диференцијален бета спектар на тритиум. Десно: Крајна точка на бета спектарот на тритиум за хипотетички безмасовно неутрино (сино) и за неутрино со маса на мирување од 1 ев (црвена). Слика адаптирана од [21]. Слика 2.2.: Експериментот KATRIN се состои од неколку компоненти: Задниот дел RS, изворот на тритиум WGTS, одделот за диференцијална пумпа DPS, делот за криогена пумпа CPS, пред-спектрометарот PS, главниот спектрометар MS и детекторот FPD. Слика од [45]. 12-ти

2.2. Компоненти на КАТРИН експериментот Слика 2.3.: WGTS беше транспортиран во лабораторијата за тритиум (ТЛК) на 10 септември 2015 година. Со доаѓањето на WGTS, сите главни компоненти на КАТРИН експериментот сега се наоѓаат на Карлсруе. 13-ти

2.2. Компоненти на КАТРИН експериментот Слика 2.5.: Тритиум гас (чистота> 95%) се инјектира во средината на изворот и се испумпува на рабовите (DPS-1F и DPS-1R). Слика адаптирана од [27] и [45]. 15-ти

2. КАТРИН 2.2.2. Заден дел Задниот дел се наоѓа на задниот крај на експериментот KATRIN и исполнува неколку задачи. Задниот wallид, позлатена берилиумска плоча, има големо влијание врз електростатскиот потенцијал во изворот и со тоа има големо влијание врз крајната точка на спектарот. Затоа е многу важно работната функција да биде што е можно постојана на целата површина на задниот ид. Во центарот на задниот wallид има мала дупка низ која може да се застрела електронски пиштол. Со овој E-Gun, меѓу другото, густината на колоната N во WGTS може да се испита со мерење на Nσ. Активноста на тритиум на изворот може да се следи и во задниот дел. За таа цел, се откриваат рендгенските зраци, кои се генерираат кога β-електроните го погодуваат задниот wallид од распаѓањето на тритиумот. Информации за следење на активноста на гасен извор на тритиум може да се најдат во [42]. 16

2. КАТРИН Слика 2.10.: Главниот спектрометар работи како Mac-E филтер. Магнетното поле е минимално во нивото на анализа. Ова ја претвора скоро целата попречна енергија на електроните во надолжна енергија. Електричниот потенцијал е максимален во нивото на анализа. Слика адаптирана од [45]. 22-ри

2.2. Компоненти на КАТРИН експериментот 2.2.7. Детектор Слика 2.11.: Структура на системот за детектор. Детекторот се наоѓа малку зад центарот на магнетот на детекторот во магнетно поле од 3.3T. На сликата е прикажана и електродата после забрзување (PAE), која обезбедува енергетски надомест за електроните. Изворите за калибрација се извор на гама од 241 Ам и титаниумски диск со УВ-осветлување. Слика од [21]. Главниот детектор на експериментот KATRIN (FPD = детектор на фокусна рамнина) во суштина има задача да ги брои влезните електрони. Енергетската анализа е веќе извршена од главниот спектрометар. Детекторот се состои од 148 ПИН-диоди, сите имаат иста површина и се распоредени во структура на прстен. 148 пиксели формираат круг со дијаметар од 90 mm и на тој начин гледаат магнетски флукс од 210Tcm 2. Дополнителни информации за системот за детектори може да најдете во [5]. 23

2. КАТРИН Слика 2.12.: Можете да го видите задниот дел од нафора за детектор. Детекторот е поделен на 148 пиксели кои се опкружени со прстен за заштита и пристрасен прстен [45]. Слика од [33]. 2.2.8. Спектрометар за монитор Спектрометарот за монитор е резервоар UHV долг 3 и широк 1 m, што го користеше KATRIN како спектрометар во претходниот експеримент во Мајнц. Внатрешниот електроден систем на овој спектрометар е поврзан со системот за висок напон на главниот спектрометар. Ова значи дека спектрометарот на мониторот може да се користи за следење на долгорочната стабилност на високиот напон на главниот спектрометар. За оваа цел, во системот постои извор од 83m Kr, што генерира моноенергетски електрони со енергија од 17824,3 ± 0,5 ev. Бидејќи оваа линија е малку под крајната точка на енергијата на тритиум, изворот се става и на потенцијал. Позицијата на линијата може да се одреди со менување на овој потенцијал. Ако ова се промени со текот на времето, ова ќе биде показател за потенцијален долгорочен нанос на високиот напон на главниот спектрометар. Слика 2.13.: Структура на спектрометарот на мониторот. а) држач за извор, б) и г) суперспроводни магнети, в) спектрометар со воздушно-јадро серпентина д) детектор. Слика адаптирана од [33]. 24

3.2. ELIOTT-II, извор на јони за тестирање на DPS Слика 3.2.: Функција на јонскиот извор: УВ-светло го погодува прозорецот на катодата, чиј златен слој е поставен на негативен потенцијал. Електроните се нокаутирани од фотоефектот, кој е забрзан со електродата со позитивно забрзување и може да ги јонизира молекулите на гасот. Позитивно наелектризираните јони што се јавуваат помеѓу електрото за забрзување и извлекувачот се спакувани во областа на цилиндарот и се забрзуваат во насока на електродата на екстракторот. Електроните, пак, се забавуваат од негативната електрода на екстракторот и не можат да поминат низ неа. Слика од [57]. 27

3. Извор на јон за тестирање на DPS - ЕЛИОТТ II а) б) Слика 3.3.: А) Пренос на прозорецот MдF 2 на УВ ламбата [32]. б) Слика на УВ ламбата [32]. Слика 3.4.: Релативен спектар на УВ ламба според производителот [32]. 28

3. Јонски извор за тестирање на DPS - ЕЛИОТТ II Слика 3.8.: Радијална електрода како што е предложено од М. Зол [61] 3.2.2.10. Намотка за тест-подлога За да може да се тестира изворот на јони, се изгради калем од цевка од не'рѓосувачки челик и емајлирана бакарна жица. Намотката има должина од 300 mm и внатрешен дијаметар од околу 150 mm. Намотката има омски отпор од R 1,5 Ω и може да се работи континуирано со струја од I = 10 A. Полето во центарот на серпентина е околу B = 14mT. За ладење на серпентина може да се користат два комерцијално достапни вентилатори. 3.2.3. Поставување тест Со цел да се карактеризира изворот на јони, изграден е тест држач (сл. 3.9 и 3.10). Ова се состои од цевка CF-100 на која може да се прирабни јонскиот извор, бакарна плоча за мерење на струјата, магнетната калем опишана во 3.2.2.10 и вакуумски систем со влез на гас и манометар. Слика 3.9.: Поглед на тест држач (модел) 32

3.2. ELIOTT-II, извор на јони за тестирање на ацегикбдфхмн DPS Слика 3.10.: Вертикален пресек на тест држач (модел CAD) а) УВ ламба б) ISO-KF DN16 прирабница за евакуација на цевката помеѓу ламбата и прозорецот в) Алуминиумска цевка за повисока Рефлексивност во УВ опсегот г) Изолатор за грмушка (дизајниран за најмалку 2 kv) д) прирабница CF-DN100 за прицврстување на изворот на други вакуумски компоненти ѓ) Електрични чаури (бакар) g) Изолатор за електрична изолација на прозорецот на катодата h) Катоден прозорец i ) Електроди м) Бакарна плоча (работи како чаша Фарадеј) k) Проводник за бакарна плоча n) ISO-KF DN25 прирабница за евакуација на тест држач 33