Studies of Background Reduction via angular-selective Electron Detection in the KATRIN Experiment

Das Ph¨anomen der Neutrinooszillationen sagt massive Neutrinos voraus, deren genaue Masse bis heute eine Unbekannte in der Teilchenphysik ist. Eine modellunabh¨angige Methode zur genaueren Bestimmung wird in einer kinematischen Messung der Endpunktenergie des Tritiumzerfalls angewandt: Das Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) f¨uhrt hochpr¨azise Endpunktspektroskopie des Tritium- -Spektrums durch und konnte die Neutrinomasse bislang auf m¿ < 0.8 eV/c² (90% C.L.) eingrenzen. Die Elektronen in KATRIN werden adiabatisch von der Tritiumquelle aus einem 2.5T-Magnetfeld kommend zum Fokalebenendetektor (FPD) in ¨ahnlich starkem Magnetfeld gef¨uhrt. Dazwischen bildet ein ∼ 0.6mT-Magnetfeld in Kombination mit einem stufenweise ver¨anderten elektrischen Retardierungspotential das Spektrometer. Elektronen mit ausreichend Energie k¨onnen das Retardierungspotential ¨uberwinden und werden zum FPD beschleunigt. Niederenergetische Elektronen im Spektrometervolumen aus Zerf¨allen von Rydberg- und autoionisierenden Atomen, die durch radioaktive Kontamination in das Spektrometervolumen gelangen, k¨onnen von dort ebenso zum FPD beschleunigt werden. Die Energie des Untergrunds unterscheidet sich daher im Rahmen der Energieaufl¨osung des FPD nicht von der Energie der -Elektronen am Endpunkt des Spektrums. Die Untergrundelektronen besitzen aber eine signifikant geringere Transversalenergie und daher eine Zyklotronbewegung mit kleineren Neigungswinkeln im Vergleich zu den meisten -Elektronen. Diese Arbeit konzentrierte sich auf die Entwicklung eines modifizierten Detektors mit stark winkelselektiver Elektronendetektionseffizienz, der den urspr¨unglichen FPD ersetzen oder erg¨anzen soll. Dieses Prinzip wird ”active Transverse Energy Filter” (aTEF) genannt. Mit dem aTEF sollen Elektronen geringen Neigungswinkels unterdr¨uckt und Elektronen großen Neigungswinkels bevorzugt gemessen werden. In dieser Arbeit wurden kommerzielle Mikrokanalplatten (MCPs) in einem Laborexperiment in M¨unster als aTEF-Detektoren verwendet. Nachdem die Unterscheidung von Elektronen anhand ihres Neigungswinkels gelang, wurde vor allem die Entwicklung eines aTEF basierend auf Si-PIN-Dioden (Si-aTEF) verfolgt. Hexagonale Kan¨ale wurden in die Oberfl¨ache kommerzieller Si-PIN-Detektoren bis zu einer bestimmten Tiefe eingebracht. Bis zu dieser Tiefe wurde via tiefem Silizium¨atzen ein Großteil (∼ 90%) des Detektormaterials entfernt. Die verbleibenden, vertikal zur Oberfl¨ache eingebrachten Oberfl¨achen sollten vor allem Elektronen großer Neigungswinkel detektieren. Elektronen mit geringen Neigungswinkeln sollten im inaktiven Boden der Kan¨ale gestoppt werden. Die Winkelselektivit¨at der Elektronendetektion konnte mithilfe eines eigens konzipierten Aufbaus vermessen werden. Dabei wurde eine Photoelektronenquelle mit Elektronen mit Energien in ¨ahnlicher Gr¨oßenordnung wie bei KATRIN verwendet, die unter variablem Winkel magnetisch auf den Si-PIN-Detektor oder Si-aTEF-Prototypen geleitet wurden. Bei zwei der vorgestellten Prototypen konnte eine Winkelselektivit¨at gemessen werden, welches einen Meilenstein der Si-aTEF-Entwicklung darstellte. K¨uhlung f¨uhrte zu einer Reduktion des Sperrstroms und des intrinischen Untergrunds sowie zu einer Verbesserung der Ladungssammeleffizienz der Si-aTEF-Prototypen. Die Performance der Detektoren war durch Probleme in der Nanofabrikation limitiert, die in Zukunft behoben sein werden. Die gefundene Winkelabh¨angigkeit wurde durch Halbleiter-Simulationen unterst¨utzt, die den Potentialverlauf und die Ausbreitung der Verarmungszone in mikrostrukturierten Si-aTEF-Prototypen voraussagten. Ein gewichtiger Unterschied zwischen den kommerziellen Dioden der Si-aTEF-Prototypen und dem in KATRIN verwendeten FPD war die umgekehrte Dotierungs-Reihenfolge. Die Simulationen ließen darauf schließen, dass die B¨oden der Kan¨ale in einem aTEF mit FPD-Dotierungsreihenfolge aktiv sind, was weiterer Untersuchungen und wom¨oglich einer blockierenden Beschichtung bedarf.