KATRIN

Vermessung der Befestigungsbolzen des KATRIN-Spektrometertanks

Auf der Suche nach der Masse des kleinsten Elementarteilchens, des Neutrinos, hat eine internationale Kollaboration unter Beteiligung des Instituts für Kernphysik des zum KIT (Karlsruhe Institute of Technology) gehörenden Forschungszentrums Karlsruhe (FZK) das Experiment KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) entwickelt. Die zentrale Apparatur von KATRIN ist ein elektrostatischer Spektrometertank. Dieser ist mit einem Rauminhalt von 1250 Kubikmetern der größte Ultrahochvakuumbehälter weltweit. In diesen Tank sollen 248 vorgefertigte Elektrodenmodule an ca. 380 angeschweißten Bolzen befestigt werden.

Verteilung der Elektrodenmodule (Bild: FZK) Befestigung des Schienensystems (Bild: FZK)

Zielsetzung

Die vermessungstechnische Aufgabe bestand darin, die Position und die Richtung dieser Bolzen zu bestimmen. Die Messunsicherheit einer Koordinate sollte dabei 0,5 mm unterschreiten. Die besonderen Herausforderungen an die Vermessung waren neben der geforderten hohen Genauigkeit die große Anzahl der Messpunkte in Verbindung mit der Größe des Objekts und den einzuhaltenden Reinraumbedingungen im Inneren des Tanks. Die Größe des Objekts (23,4 m Länge, 10 m Durchmesser) bedingte, dass im Inneren des Tanks ein fahrbares Gerüstsystem aufgebaut werden musste, das auch zur späteren Montage der Module benutzt wird. Dadurch kann die Vermessung nur in mehreren Etappen – ohne und mit Gerüstsystem – durchgeführt werden, weil durch den Einbau des System der untere Teil der Bolzen verdeckt wird.

Gerüstsystem Befestigung des Lasertrackers

Stand der Arbeiten

Im Rahmen einer Vorstudie wurde die Messaufgabe eingehend analysiert, ein Messkonzept entwickelt und dieses überprüft. Es wurde der Nachweis erbracht, dass ein Lasertracker (auch bei horizontalem Betrieb) das geeignete Messinstrument für die Aufgabenstellung ist. Ein Vermessungsnetz, das den Gegebenheiten bei der Tankvermessung entspricht, wurde im Labor simuliert. Ein besonders wichtiger Punkt war die Entwicklung und Überprüfung geeigneter Messmittel zur Aufnahme der Bolzen. Basierend auf den Erkenntnissen und Erfahrungen aus der Vorstudie wurde die Vermessung der Bolzen in zwei Phasen durchgeführt: In der ersten Phase im April 2008 wurden die Bolzen im unteren Bereich des Tanks (Zylinderteil) vermessen. Diese konnten mit einer Leiter erreicht werden. In dieser Phase wurden auch die Messungen zur Definition des Objekt-Koordinatensystems durchgeführt. In der zweiten Phase im Juni 2008, nach dem Einbau des Gerüstsystems, folgte die Vermessung der Bolzen im oberen Bereich und in den seitlichen Kegeln. Die Messdaten wurden so aufgearbeitet, dass für alle Bolzen Koordinaten sowohl für die berechneten Bolzenspitzen als auch für die gemessenen Reflektorpositionen vorliegen. Diese Daten dienen als Grundlage für die Vorjustierung der Elektromodule und werden vom Institut für Kernphysik weiterverarbeitet.

Vector-Bar Ergebnisse

Zukünftige Arbeiten

Im Frühjahr 2009 soll das dann eingebaute Schienensystem zur Aufnahme der Elektrodenmodule vermessen werden. Eine Anzahl von Elektrodenmodulen (i.d.R. 20 pro Ring) wird dabei zu einem „Modul-Polygon“ zusammengesetzt. Dieses zusammengesetzte Polygon darf in seiner Gesamtlänge maximal 0,5 mm variieren.

Publikationen zum Thema

Juretzko, M.

Positionsbestimmung der Elektrodenmodule des KATRIN-Experiments mit Hilfe eines Lasertrackers.

Allgemeine Vermessungsnachrichten (AVN), 6/2009, S.220-230.

Juretzko, M.

Positioning of the Electrode Modules of the KATRIN Experiment by Using a Laser Tracker.

In: Grün, A. / Kahmen, H. (eds.), Optical 3-D Measurement Techniques IX, Vol. II, Vienna / Austria, Jul. 1-3, 2009, pp. 91-98, 2009.

(Artikel als PDF)

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