Tritium Sorption on the KATRIN Rear Wall: Effects, Dynamics and Mitigation

Die Beobachtung von Neutrinooszillationen impliziert, dass Neutrinos eine von null verschiedene Masse besitzen. Diese Entdeckung widerspricht dem Standardmodell (SM) der Teilchenphysik. Während mehrere theoretische Ansätze verfolgt werden um die Massenerzeugung von Neutrinos zu erklären und Oszillationsexperimente Einblicke in die Massendifferenzen zwischen Neutrinoeigenzuständen bieten, bleiben ihre absoluten Massen und deren Hierarchie unbekannt. Experimente, die hochpräzise $\beta$-Spektroskopie am kinematischen Endpunkt des Tritiumzerfalls nutzen, zielen darauf ab, die Neutrinomasse direkt zu bestimmen. ... mehrDerzeit wird diese Ansatz vom Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN)-Experiment angeführt, das kürzlich eine neue Obergrenze für die effektive Neutrinomasse von $m_{\nu }<0,45{\text{eV/c}}^2$ basierend auf den ersten fünf Messkampagnen bestimmte. Bis zum Abschluss seines Messprogramms Ende 2025 strebt KATRIN eine Sensitivität von besser als $0,3{\text{eV/c}}^2$ an.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist es entscheidend, verschiedene systematische Effekte zu berücksichtigen und zu reduzieren, da diese sonst zu einer höheren Unsicherheit auf die bestimmte Neutrinomasse führen. Eine solche Quelle systematischer Unsicherheit stammt von der sogenannten Rear Wall – einer goldbeschichteten Edelstahlscheibe, die das Referenzpotenzial für die $\beta$-Elektronen im Experiment definiert. Die Rear Wall ist Elektronen, Tritium-Molekülen und Tritium-(Cluster-)Ionen ausgesetzt, was aufgrund von Adsorption zur Tritiumakkumulation auf ihrer Oberfläche führt. Dieses adsorbierte Tritium erzeugt ein sekundäres $\beta$-Spektrum, das sich in seiner Form vom primären Spektrum, welches aus der gasförmigen Tritiumquelle von KATRIN stammt, unterscheidet. Die Überlagerung dieser beiden Spektren verzerrt das gemessene $\beta$-Spektrum und verursacht eine systematische Verschiebung des bestimmten $m_{\nu }^2$-Werts.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die Effekte dieses sekundären $\beta$-Spektrums zu minimieren. In dieser Arbeit wurde die Bildung von tritiertem amorphem Kohlenstoff (aC:T) als wahrscheinlichste Ursache für die Tritiumakkumulation identifiziert, wobei ein Mechanismus der Elektronenstrahl-induzierten Ablagerung (Electron Beam Induced Deposition EBID) als primärer Bildungsprozess vorgeschlagen wurde. Dieses Modell wurde durch mehrere komplementäre, gezielte Messungen getestet. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde eine zweiteilige Mitigationsstrategie entwickelt und in den Betrieb und die Datenanalyse von KATRIN integriert.

Der erste Aspekt ist die Reduktion des Effekts innerhalb der KATRIN-Analysekette. Durch sogenannte Rear Wall-Scans, die bei leerer Tritiumquelle (bei weniger als ${10}^{-5}$ der nominalen Gasdichte) durchgeführt wurden, konnte eine vollständige Charakterisierung des sekundären Spektrums erreicht werden. Obwohl jeder Scan mehrere Tage Messzeit erforderte, zeigte sich, dass die Form des Spektrums konstant bleibt, während sich nur seine Amplitude aufgrund der fortschreitenden Tritiumakkumulation auf der Rear Wall ändert. Dies ermöglichte die Entwicklung einer Messstrategie, die Rear Wall-Scans während der Wartungsphasen und kürzere, häufigere Rear Wall-Ratenmessungen während der Neutrinomassenmesskampagnen kombiniert. Diese Rear Wall-Ratenmessungen benötigen nur wenige Minuten Messzeit um die Amplitude des sekundären Spektrums präzise zu quantifizieren, da sie sich auf einen einzelnen Messpunkt tief im $\beta$-Spektrum konzentrieren, an dem die gemessene Rate hoch ist. Ein empirisches Modell basierend auf dem EBID-Akkumulationsprozess wurde entwickelt, um die Entwicklung der Amplitude des Spektrums basierend auf dem integralen Tritiumdurchsatz zu inter- und extrapolieren. Durch die Kombination von Rear Wall-Scans und dem Rear Wall-Raten-Modell konnten präzise Eingabeparameter für die KATRIN-$m_{\nu }$-Analyse berechnet werden, wobei das sekundäre Spektrum als Hintergrundsignal behandelt wurde, um dessen Einfluss auf einen Beitrag unterhalb der Unsicherheitsbudgets zu reduzieren.

Der zweite Aspekt ist die direkte Reduktion des sekundären Spektrums durch Entfernung des akkumulierten Tritiums von der Rear Wall-Oberfläche. Verschiedene Dekontaminationsverfahren wurden untersucht, wobei sich die UV/Ozon-Reinigung als die effektivste Methode erwies. Diese Methode war in der, die Oberflächenaktivität in weniger als einer Woche um drei Größenordnungen zu reduzieren.

Zusammenfassend wurde eine umfassende Strategie entwickelt, die eine direkte Reinigung der Rear Wall und eine indirekte Reduktion des Effekts durch das sekundären $\beta$-Spektrums mittels Quantifizierung als Untergrund kombiniert. Dieser Ansatz stellt sicher, dass der Beitrag des sekundären Spektrums in der $m_{\nu }$-Analyse präzise berücksichtigt wird, und ebnet somit den Weg für KATRIN, die prognostizierte Sensitivität für die effektive Neutrinomasse zu erreichen.

Neutrino oscillations have confirmed that neutrinos possess a non-zero mass, a discovery that challenges the Standard Model (SM) of particle physics. While several theoretical frameworks attempt to explain neutrino mass generation, and oscillation experiments offer insights into the mass differences between neutrino states, their absolute mass and ordering remain unresolved. Experiments, using high-precision $\beta$-spectroscopy of the kinematic endpoint of the tritium decay, have sought to directly determine the neutrino mass. Currently, this effort is led by the Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) experiment, which has recently set a new upper limit on the effective neutrino mass at $m_{\nu }<0.45{\text{eV/c}}^2$, based on its first five measurement campaigns. ... mehrBy the end of its data-taking program in late 2025, KATRIN aims to achieve a sensitivity of better than $0.3{\text{eV/c}}^2$.

To reach this goal, it is crucial to account for and mitigate various systematic effects that could otherwise increase the uncertainty in the neutrino mass measurement. One such source of systematic uncertainty stems from the so-called Rear Wall - a gold-coated stainless steel disk that defines the reference potential for the $\beta$-electrons in the experiment. The Rear Wall is exposed to electrons, tritium molecules, and tritium (cluster-)ions, leading to tritium accumulation on its surface due to adsorption. This adsorbed tritium generates a secondary $\beta$-spectrum, which differs in shape from the primary spectrum originating from the gaseous tritium source of KATRIN. The superposition of these two spectra distorts the measured $\beta$-spectrum, causing a systematic shift in the determined $m_{\nu }^2$ value.

The main objective of this thesis is to mitigate the effects of this secondary $\beta$-spectrum. In this work, tritiated amorphous carbon (aC:T) was identified as the most likely contributor to the accumulation, with an Electron Beam Induced Deposition (EBID) mechanism proposed as the primary formation process. This was tested through multiple complementary dedicated measurements. Based on these insights, a two-part mitigation strategy was developed and implemented into the current operations and analysis framework of KATRIN.

The first approach is mitigation within the KATRIN analysis chain. By performing so-called Rear Wall scans when the tritium source is empty (at less than ${10}^{-5}$ of the nominal gas density), a complete characterization of the secondary spectrum was possible. Although each scan required several days of data collection, it was found that the shape of the spectrum remained constant, with only its amplitude changing due to ongoing tritium accumulation on the Rear Wall. This allowed the development of a measurement strategy combining Rear Wall scans during maintenance phases and shorter, more frequent Rear Wall rate measurements throughout the neutrino mass measurement campaigns. These Rear Wall rate measurements require only a few minutes of measurement time to accurately asses the amplitude of the secondary spectrum, as they focus on a single point deep in the $\beta$-spectrum, where the recorded rate is high. An empirical model based on the EBID accumulation process was developed to interpolate and extrapolate the evolution of the amplitude of the spectrum, based on the integral tritium throughput. By combining the Rear Wall scans and the Rear Wall rate model, accurate input parameters for the KATRIN $m_{\nu }$ analysis were calculated, treating the secondary spectrum as a background signal, and reducing its impact below the uncertainty budget.

The second approach is the direct mitigation of the secondary spectrum by removing the accumulated tritium from the Rear Wall surface. Various decontamination techniques were tested, with UV/ozone cleaning proving to be the most effective, by being capable of reducing the surface activity by three orders of magnitude in less than a week.

In conclusion, a comprehensive strategy has been developed, combining direct Rear Wall cleaning and indirect analytical mitigation of the secondary $\beta$-spectrum. This approach ensures that the contribution of the secondary spectrum is accurately assessed in the $m_{\nu }$ analysis, supporting KATRIN to meet its predicted sensitivity for the effective neutrino mass.