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Hochspannungsteiler für das internationale Neutrinoexperiment KATRIN

30.12.2005

Im Rahmen des internationalen Forschungsvorhabens KATRIN (KArlsruhe TRItiumNeutrinoexperiment) am Forschungszentrum Karlsruhe [1] zur experimentellen Bestimmung der Neutrinomasse wurde im Institut für Kernphysik der Universität Münster [2] in Zusammenarbeit mit der PTB ein Hochspannungsteiler bis 35 kV konstruiert, aufgebaut und eingemessen. Aufgabe des Spannungsteilers ist die genaue Messung der Analysierspannung für die untersuchten Tritium-β-Elektronen, wobei der Endpunktbereich von 18 keV des β-Spektrums mit sub-eV-Genauigkeit bestimmt werden soll. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit und Stabilität seitens KATRIN wurde der Spannungsteiler in vergleichbarer Art wie der vor einigen Jahren in der PTB für Gleichspannungen bis 100 kV entwickelte Normalspannungsteiler konstruiert [3]. Merkmale dieser Teilerkonstruktion sind: Schirmung des Teilers durch Einbau in einen gasisolierten Kessel, Temperaturstabilisierung im Kessel durch Peltier-Element, Reduzierung der Drift des Teilungsverhältnisses bei Belastung durch gezielte Auswahl der Teilerwiderstände, weitgehende Vermeidung von Isolationsströmen, durch Rechnung optimierte Elektrodenanordnung mit Zwischenelektroden zur Begrenzung der elektrischen Feldstärke im Teiler und Schutz gegenüber äußeren transienten Überspannungen. Nach dem Aufbau und orientierenden Messungen an der Uni Münster wurde der Spannungsteiler zusammen mit einem Digitalvoltmeter eingehend in der PTB kalibriert. Eine der wichtigsten Anforderungen des KATRIN-Experimentes betrifft die Stabilität des Spannungsteilers. Die Messergebnisse zeigen, dass das Teilungsverhältnis auf Grund des kleinen Temperaturkoeffizienten von -7•10-8/K im Bereich von 25 °C bis 35 °C und der auf ±0,1 K genauen Temperaturstabilisierung praktisch temperaturunabhängig ist. Nach Anlegen einer Gleichspannung von 18 kV ändert sich das Teilungsverhältnis in den ersten 5 Minuten um 0,5 µV/V und in den nächsten 100 h um weitere 0,2 µV/V. Die Spannungsabhängigkeit bis zur Bemessungsspannung von 35 kV beträgt 0,7 µV/V. Die Unsicherheit des Teilungsverhältnisses ist damit insgesamt kleiner als 2 µV/V (k=1) und liegt unter dem für das KATRIN-Experiment geforderten Grenzwert von 3 µV/V. Da die bei der Kalibrierung erzielten Unsicherheiten teilweise durch die Grenzen der PTB-Messeinrichtungen bei Hoch- und Niederspannung mitbestimmt sind, können für den Spannungsteiler selbst noch bessere als die gemessenen Eigenschaftswerte vermutet werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen haben darüber hinaus Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung der Langzeitstabilität eröffnet.

Referenzen:
[1] Opens external link in new windowKATRIN Design Report 2004, FZKA Scientific Report 7090,
[2] Opens external link in new windowhttp://www.uni-muenster.de/Physik.KP/AGWeinheimer/Forschen-de.html
[3] Marx, R: New concept of PTB's standard divider for direct voltages of up to 100 kV. IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 50 (2001), S. 426-430