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Off-line commissioning of a non-destructive FT-ICR detection system for monitoring the ion concentration in the KATRIN beamline

Ubieto Díaz, Marta

German Title: Offline-Inbetriebnahme eines nicht-destruktiven FT-IZR-Detektionssystems um die Ionen Konzentration in der KATRIN Strahlführung zu ermitteln

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Abstract

Jüngst haben Neutrinooszillationen die Existenz von massiven Neutrinos bewiesen. Seitdem ist die Messung der Ruhemasse der Neutrinos von gross em Interesse. Das Ziel des Karlsruher Tritium Neutrino Experiments (KATRIN) ist es, die Ruhemasse des Anti-Elektron-Neutrinos mit einer Empfindlichkeit von 0,2,eV in einem Konfidenzintervall von 95$%$ zu bestimmen. In der Strahlführung von KATRIN werden verschiedene positive Ionen (T$^+$, He$^+$, ($^3$HeT)$^+$, T$_2^+$)) durch $beta$-Zerfall und Ionisationsprozesse gebildet. Nachfolgend bilden sich über chemische Reaktionen T$_3^+$ , T$_5^+$ und gröss ere Cluster. Diese Kontaminationen werden überwiegend innerhalb des Transportabschnitts des Experiments entfernt. Zur Analyse des $beta$-Spektrums müssen die Existenz und die Konzentration dieser Kontaminationen bekannt sein. Zur Identifikation und Messung der Konzentration der Verunreinigungen werden zwei identische Penningfallensysteme, die die Fourier-Transform Ionen-Zyklotron-Resonanz (FT-IZR) Methode anwenden, in der Strahlführung von KATRIN installiert. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Offline-Inbetriebnahme dieser Penningfallen. Ein Testaufbau, welcher es ermöglichte, eine dreipolige zylindrische Penningfalle und die zugehörige Elektronik innerhalb eines 4.7-T supraleitenden Magneten zu testen, wurde am Max-Planck-Institut fur Kernphysik in Heidelberg entwickelt und in Betrieb genommen. Teil der Charakterisierung sind Messungen der Kohärenzzeit der Ionenbewegung bei verschiedenen Drücken, die Ermittlung der Nachweisgrenze der getesteten Penningfalle und der Elektronik sowie eine Massenmessung zur Bestimmung der mit dieser Penningfalle erreichbaren Genauigkeit.

Translation of abstract (English)

Neutrino oscillations have recently proved the existence of massive neutrinos. Since then the measurement of the rest mass of the neutrino remains an open question. The Karlsruhe Tritium Neutrino KATRIN experiment aims to obtain the electron antineutrino rest mass with a sensitivity of 0.2,eV with a confident level of 95$%$. In the KATRIN beamline various positive ions are formed by $beta$-decay and ionization processes (T$^+$, He$^+$, ($^3$HeT)$^+$, T$_2^+$), followed by chemical reactions which also produce T$_3^+$ , T$_5^+$ and even larger cluster ions. The partial removal of these contaminations will be done along the transport section of the experiment. The presence and the concentrations of these contaminats have to be known when evaluating the $beta$ spectrum. To identify and measure these concentrations two identical Penning trap systems using the Fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance (FT-ICR) method will be installed into the KATRIN beamline. The off-line commissioning of these Penning traps is the main topic of the work presented here. A test setup was built at the Max-Planck-Institute for Nuclear Physics in Heidelberg where a 3-pole cylindrical Penning trap and its electronics were tested inside a 4.7-T superconducting magnet. Measurements of the coherence time of the ion motion at different pressures, the detection limit of the tested Penning trap and its electronics, and a mass measurement for the determination of the accuracy of the tested Penning trap system are part of the characterization.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Blaum, Prof. Dr. Klaus
Date of thesis defense: 7 December 2011
Date Deposited: 18 Jan 2012 07:54
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Penning traps , KATRIN experiment , FT-ICR , broad-band , mass spectrometry
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