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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 externer Link 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 externer Link, 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.

FT-ICR Nachweissystem am MPIK in Heidelberg
Abbildung 1: FT-ICR Nachweissystem am MPIK in Heidelberg - für größere Version klicken

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]).

FT-ICR Penningfalle
Abbildung 2: FT-ICR Penningfalle - für größere Version klicken

 

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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.

Amplitude des FT-ICR-Signals gegen Anregungsfrequenz
Abbildung 3:: ν+ ist die modifizierte Zyklotronfrequenz. Amplitude des FT-ICR-Signals gegen Anregungsfrequenz (νexc) für He+ Ionen (oben) und für H2O+ Ionen (unten) (entspr. Ref.[4])

 

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) external Link
3.   Neutrino mass limit from tritium β decay
E.W. Otten and C. Weinheimer
Rep. Prog. Phys. 71, 086201 (2008) externer Link
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) externer Link
1.   KATRIN Design Report 2004
Report by the KATRIN Collaboration (pdf, 8.97 MB) externer Link
FZKA7090 (pdf, 9.33 MB) externer Link
NPI ASCR Rez EXP-01/2005
MS-KP-0501