Logo PTB
symbolic picture: "magazines"

KATRIN under voltage

Eine in der PTB entwickelte Technologie wird für das KATRIN-Experiment zur Bestimmung der Neutrinomasse genutzt: Nach dem Vorbild des PTB-Referenzspannungsteilers wurde ein neuer Präzisions-Hochspannungsteiler für Gleichspannungen konstruiert, mit dem eine entscheidende Messgröße des Neutrino-Experiments mit einer Unsicherheit von weniger als 2 µV/V bestimmt werden kann.

In the “heart” of the KATRIN precision voltage divider, the
internal design (subdivided into four steps by the electrode system),
the precision resistor chain and the connecting elements
for voltage graduation of the electrode systems can be seen.
(Source: T. Thümmler)

Neutrinos sind die leichtesten Elementarteilchen, aber doch nicht ganz masselos, wie man inzwischen aus vielen Neutrino-Oszillationsexperimenten weiß. Mit dem Experiment KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino) soll am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die Neutrinomasse erstmals direkt und modellunabhängig bis auf 0,2 eV bestimmt werden. Die dafür entwickelte Technik erlaubt eine zehnmal genauere Messung als bisher. Damit wird es erstmals möglich, aus der Bestimmung der Neutrinomasse eine Aussage über den Einfluss von Neutrinos bei der Entwicklung des Universums abzuleiten.

Neutrinos entstehen beim β-Zerfall eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein (elektronisches Anti-) Neutrino. Bei KATRIN zerfällt Tritium mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren in ein stabiles Helium-Isotop. Die Zerfallsenergie von 18,6 keV entspricht (gemas E = mc2) den bekannten Proton- und Elektron-Ruhemassen, der gesuchten Neutrinomasse und der variablen, aber messbaren Bewegungsenergie vor allem der Elektronen. Bei KATRIN wird jetzt für drei Jahre die Energie der schnellsten Elektronen über das elektrostatische Analysierpotential des Haupt-Energiefilters am Endpunkt des Tritium-β-Spektrums gemessen. Fehlt ein winziger Energiebetrag, dann entspräche dies der Masse des Neutrinos.

Zur Messung wird die Potentialdifferenz zwischen der Quelle und einem speziellen elektrostatischen Spektrometer möglichst genau überwacht. Am Institut für Kernphysik der Universität Münster wurde dafür in Zusammenarbeit mit der PTB ein Spannungsteiler für Gleichspannungen bis 35 kV konstruiert, der das Prinzip eines in der PTB entwickelten 100-kV-Normalspannungsteilers nutzt. In einem gasisolierten Behälter geschirmt und temperaturstabilisiert, wurde die belastungsabhängige Drift des Teilungsverhältnisses durch Selektion der Teilerwiderstände reduziert. Die damit erzielten sehr geringen Temperaturkoeffizienten führten dann bei zusätzlicher Temperaturstabilisierung auf ± 0,2 K zu einem extrem stabilen Teilungsverhältnis. Auch das Verhalten bei Belastung erwies sich als so hervorragend, dass die Unsicherheit des Teilungsverhältnisses bei 18 kV kleiner ist als 2 µV/V (k = 2) und damit den für KATRIN geforderten Grenzwert von 3 µV/V unterschreitet.

Contact:

Phone: +49-531-592-0