KATRIN 实验的前向束流监测器

卡尔斯鲁厄氚中微子（KArlsruhe TRItium Neutrino，KATRIN）实验旨在以 \SI{0.2}{\electronvolt}（\SI{90}{\percent} CL）的灵敏度测量中微子质量。这将通过对氚衰变 $\upbeta$ 电子谱端点区域的精密测量来实现。$\upbeta$ 电子在无缝气态氚源（Windowless Gaseous Tritium Source，WGTS）中产生，并经磁场引导通过束流线。为了精确提取中微子质量，要求源活度稳定且以高精度已知。因此 WGTS 接受来自多个测量系统的持续广泛监测。前向束流监测器（Forward Beam Monitor，FBM）即是此类监测系统之一。FBM 系统包含一个复杂的机械装置，能够以优于 \SI{0.3}{\milli\metre} 的定位精度将探测板插入 KATRIN 束流线。该位置处的电子通量密度约为 \SI{e6}{\per\second\per\milli\metre\squared}。探测板包含两片 \pin 二极管型硅探测芯片，可在 \SI{60}{\second} 内以 \SI{0.1}{\percent} 的精度测量来自源的 $\upbeta$ 电子通量，能量分辨率为 FWHM $=$ \SI{2}{\kilo\electronvolt}。开发 FBM 的独特挑战源于其在低温抽气段内的指定运行环境，该环境是一个可能被氚污染的超高真空室，处于低温且在 \SI{1}{\tesla} 强磁场存在下。这些参数中的每一项都严格限制了可能材料的选择，例如导致了探测噪声抑制、散热与润滑方面的困难。为了将 FBM 完全移出束流管，需要向束流线内行进 \SI{2}{\meter} 的长距离，这要求一种既稳健又高精度的移动机构。