Proton spectroscopy with aSPECT: systematic studies & modification of the high voltage electrode system

Abstract

Hochpräzisionsmessungen zum Zerfall des freien Neutrons bieten die Möglichkeit, das Standardmodell der Teilchenphysik zu überprüfen. Viele verschiedene Zerfallsparameter des Neutrons werden über das Verhältnis der Kopplungskonstanten der schwachen Wechselwirkung verknüpft. Dementsprechend können die Messergebnisse verglichen und auf Konsistenz überprüft werden. Das Spektrometer aSPECT wurde gebaut, um den Elektronen-Antineutrino-Korrelationskoeffizienten a mit einer Genauigkeit von 0,3% zu bestimmen. Die Zerfallsprotonen werden hierfür mittels einer Potentialbarriere nach ihrer Energie selektiert. Um die Protonen, die diese Barriere überwinden, zu zählen, werden diese mittels eines Systems von Hochspannungselektroden auf detektierbare Energien beschleunigt. Bisher konnte kein neuer Wert für a veröffentlicht werden, da unerwartete Untergrundprobleme die Messungen verfälscht haben. Wir gehen davon aus, dass hierfür unter anderem Elektronen-Feldemission von den Oberflächen der Elektroden verantwortlich ist. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Form der Hochspannungselektrode einer genauen Untersuchung unterzogen. Basierend auf den Ergebnissen der Simulationen wurde eine neue Detektorelektrode gebaut: Die Feldstärke an deren Oberfläche konnte um 30% gesenkt werden und dementsprechend die Wahrscheinlichkeit für Feldemission. Zur Bestimmung von a muss das Magnetfeld innerhalb des Spektrometers mit hoher Genauigkeit (10E-4) bekannt sein. Daher wird das Magnetfeld mit Hilfe einer Hall-Sonde vor und nach Strahlzeiten (und in unregelmäßigen Abständen) vermessen. Die Magnetfeldmessungen und die Probenkalibrierung von 2011 wurden analysiert und mit früheren Messungen verglichen. Die Analyse hat gezeigt, dass die Messgenauigkeit der Sonde die Bestimmung von a auf 0,26% einschränkt, während die unzureichende Probenkalibrierung (inklusive Langzeitmessungen) derzeit eine Bestimmung von a mit einer Genauigkeit von 0,67% erlaubt.

The decay of the free neutron offers an important possibility to test the Standard Model of particle physics with high precision measurements. Various parameters determining the decay rate of the neutron are linked over the ratio of the weak coupling constants. Hence, measurements of these parameters can be compared and checked for consistency. The spectrometer aSPECT has been designed to determine the electron-antineutrino correlation coefficient a with a final accuracy of 0.3 %. The working principle of the spectrometer is the energy selection of decay protons by a potential barrier. For the counting, the protons have to be accelerated by a system of high voltage electrodes on the detector. So far, unexpected background problems disturbed the measurements. Therefore a new value for a could not be presented. Field emission of electrons from the electrode surfaces is most likely a reason for the background problems. In this Master thesis, the shape of the high voltage electrodes has been investigated. Based on these simulations, a new detector electrode has been built, which reduces the field at the electrode's surface by about 30% and therefore the probability for field emission. For the evaluation of a, the magnetic field inside the spectrometer has to be known with high (10E-4) precision. For this reason the magnetic field is mapped before and after beam times (and in irregular intervals) with a Hall effect sensor. The measurement data of the magnetic field mapping and of the Hall probe calibration in 2011 have been analyzed and compared with former measurements. The data analysis shows that the measurement of the magnetic field with the Hall probe limits the achievable accuracy in a to 'only' 0.26 %, while a lack of probe calibration (including long-term drift) presently limits the accuracy to 0.67 %.