FT-ICR Nachweis-System für KATRIN
Motivation und experimenteller Aufbau
Das FT-ICR Penningfallen-Nachweissystem (ein Prototyp einer zylindrischen Drei-Elektroden-Penningfalle)
in Heidelberg wird für KATRIN entwickelt [1-3].
Das KATRIN-Experiment wurde zur direkten Messung der Masse des Elektron-Antineutrinos
mit einer Empfindlichkeit von 0.2 eV entworfen. Dies ist um eine Größenordnung besser als
die bisher erzielte Empfindlichkeitsgrenze. Die angestrebte Messgenauigkeit wird durch
die Analyse des Endpunkts des β-Spektrums aus dem Zerfall von Tritiumgasmolekülen erreicht
T2 → (3HeT)+ + e- + νe
.
Das KATRIN-Setup [1-4] besteht aus einer Tritiumgasquelle, einer Transportsektion ,
einem Vorspektrometer, dem Hauptspektrometer und dem Detektor. Die Elektronen aus dem Zerfall
werden im Hauptspektrometer durch ein starkes Magnetfeld geführt und mittels elektrostatischer
Felder analysiert. Das Tritiumgas wird durch differentielles Pumpen und kryogenes Speichern
aus dem System entfernt. Die Bildung von Ionenclustern (T2n+1)+, die mit anderen Endpunkten
als T2 zerfallen, verhindert die eindeutige Analyse des Endpunkts des Tritiumzerfalls.
Deshalb ist die Kenntnis der Konzentration dieser Ionen für die Auswertung des β-Spektrums
erforderlich.
Diese Konzentrationen lassen sich am besten durch den Einsatz von Penningfallen mit FT-ICR Nachweissystemen präzise bestimmen. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen aktuelle Fotos vom Aufbau am MPIK-Heidelberg bzw. der FT-ICR Penningfalle. Weitere Details können der Ref. [4] entnommen werden. Diese Penningfallen-Systeme werden in der Transportsektion installiert werden (siehe auch Abb. 1 von Ref. [4]).
Jüngste Ergebnisse
Bislang wurden drei wichtige Ergebnisse erzielt [4]. Erstens wurde die Amplitude des FT-ICR-Signals bezüglich der zugehörigen Anregungsfrequenz νexc für verschiedene Ionenarten aufgezeichnet. Abb. 3 zeigt die Amplituden des FT-ICR-Signals aufgetragen gegen die Anregungsfrequenzen für die He+-, H2O+-Ionen. Zum zweiten wurde das FT-ICR-Signal bei νrf = ν+ für verschiedene Spannungen an den Endkappen-Elektroden aufgenommen. Über eine lineare Anpassung der Daten (siehe Abb. 5 von Ref. [4]) und die Benutzung der Massenwerte des interessierenden Ions, konnte das Magnetfeld erhalten werden. Diese Messung wurde für die He+- und H2O+-Ionen durchgeführt. Als jüngstes Ergebnis wurde festgestellt, dass sich mit der Penningfalle die kleinste benötigte Ionenanzahl bestimmen lässt, die erforderlich ist, um ein FT-ICR-Signal bei Raumtemperatur zu beobachten. Für weitere Details siehe Ref. [4]. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt und alle Ionenarten (He+, N2+, und H2O+) identifiziert, indem die Ionenbewegung bei ihrer modifizierten Zyklotronfrequenz angeregt wurde.

Referenzen
4. |
A broad-band FT-ICR Penning trap system for KATRIN M.Ubieto-Díaz, D. Rodríguez, S. Lukic, Sz. Nagy, S. Stahl, K. Blaum Int. J. Mass Spectrom. 288, 1-5 (2009) ![]() |
3. |
Neutrino mass limit from tritium β decay E.W. Otten and C. Weinheimer Rep. Prog. Phys. 71, 086201 (2008) ![]() |
2. |
The Q-value of tritium β-decay and the neutrino mass E.W. Otten, J. Bonn and Ch. Weinheimer Int. J. Mass Spectrom. 251, 173-178 (2006) ![]() |
1. |
KATRIN Design Report 2004 Report by the KATRIN Collaboration (pdf, 8.97 MB) ![]() FZKA7090 (pdf, 9.33 MB) ![]() NPI ASCR Rez EXP-01/2005 MS-KP-0501 |