ULESE (University of Lodz an Electron SpEctrometer)

Kontakt: J. Perkowski, jaroslaw.perkowski(at)uni.lodz.pl

Spektrometr elektronów konwersji wewnętrznej ULESE został zaprojektowany i zbudowany w Uniwersytecie Łódzkim do prowadzenia pomiarów na wiązce (“in-beam”). Pomiary koincydencyjne pomiędzy kwantami gammami a elektronami konwersji wewnętrznej emitowanymi z danego przejścia pozwalają na wyznaczenie multipolowości tych przejść. W celu przeprowadzania tego typu pomiarów spektrometr ULESE może być wykorzystywany razem ze spektrometrem kwantów gamma EAGLE.

Spektrometr ULESE charakteryzuje się wysoką efektywnością rejestracji elektronów do 12% dla energii 300 keV, dobrą energetyczną zdolnością rozdzielczą < 1% dla 1 MeV i co jest bardzo ważne znaczną redukcją tła pochodzącego od elektronów delta, pozytronów oraz fotonów emitowanych z tarczy. Eliminacja elektronów delta jest kluczowa dla spektrometrii elektronów konwersji wewnętrznej prowadzonej „na wiązce”. Powyższą charakterystykę spektrometru osiągnięto poprzez wykorzystanie kombinacji dwóch pól magnetycznych: prostopadłego i równoległego do osi symetrii spektrometru, która jest jednocześnie prostopadła do linii wiązki. Elektrony konwersji wewnętrznej produkowane w tarczy w wyniku reakcji jądrowych są zakrzywiane w kierunku detektora dzięki pierwszemu z tych pól magnetycznych. Natomiast pozytrony są zaginane w przeciwnym kierunku. Elektrony wyemitowane „do przodu” i „do tyłu” z tarczy jądrowej mogą dotrzeć do detektora krzemowego. Sześć magnesów pierścieniowych jest źródłem pola magnetycznego równoległego do osi spektrometru, które to ma za zadanie transportować elektrony i ogniskować je na powierzchni detektora, który jest oddalony o 20 cm od tarczy. Detektor krzemowy służący do detekcji elektronów został  wyprodukowany przez Micron Semiconductor Ltd.  Detektor o kształcie kwadratu o boku 5 cm i grubości 1.5 mm składa się z 16 niezależnych pasków. Czynna grubość detektora w praktyce wystarcza do rejestracji elektronów do energii około 1 MeV.

Idea spektrometru oraz przykład symulacji torów elektronów o energii 250 keV wykonanej za pomocą oprogramowania CST PARTICLE STUDIO zostały przedstawione na rysunku 1. Dla czytelności obrazu tylko kilka torów elektronów zostało pokazanych. Strumień elektronów delta jest w znacznym stopniu redukowany przez pole magnetyczne oraz specjalną ramkę, na której umieszcza się tarcze jądrowe, co zostało pokazane na rys. 2. Na rysunku 3 można zobaczyć zdjęcie spektrometru ULESE wraz z przedwzmacniaczem. Początkowa oraz obecna efektywność spektrometru  wyznaczona eksperymentalnie na podstawie pomiarów z wykorzystaniem źródeł kalibracyjnych  (²⁰⁷Bi and ¹³³Ba) została pokazana na rys. 4. Kompaktowa konstrukcja spektrometru ULESE (~40 cm długości oraz  ~20 cm szerokości) pozwala na współpracę z spektrometrami fotonów gamma (np. EAGLE w ŚLCJ), co zostało pokazane na rys. 5.

Spektrometr ULESE charakteryzuje się:

• relatywnie małymi rozmiarami,
• efektywnością rejestracji elektronów do 12% dla energii 300 keV dla obecnej geometrii pola magnetycznego,
• możliwą adaptacją do wymagań konkretnego eksperymentu poprzez zmianę efektywności, która może być realizowana za pomocą zmiany usytuowania lub ilości magnesów Nd-Fe-B w układzie selektora,
• eliminacją pozytronów,
• redukcją tła pochodzącego od promieniowania X,
• eliminacją elektronów delta,
• efektywnym dwu stopniowym chłodzeniem detektora krzemowego za pomocą modułów Peltiera,
• rozdzielczością energetyczna detektora krzemowego wynoszącą < 1% dla energii elektronów 1 MeV,
• możliwością współpracy z spektrometrem fotonów gamma EAGLE.

 

Literatura:
J. Perkowski et al., Rev. Sci. Inst. 85 (2014) 043303
J. Perkowski et al., Phys. Rev. C 95 (2017) 014305

 

Rys. 1 Idea spektrometru ULESE oraz przykład symulacji torów elektronów o energii 250 keV poruszających się w tym urządzeniu. Oprogramowanie CST zostało wykorzystane do wykonania tych symulacji.

Rys. 2 Kilka trajektorii elektronów o energii 30 keV (są to energie typowe dla elektronów delta) w spektrometrze ULESE. Oprogramowanie CST zostało wykorzystane do wykonania tych symulacji.

Rys. 3 Zdjęcie spektrometru elektronów ULESE wraz z przedwzmacniaczem.

Rys. 4 Początkowa i obecna efektywność spektrometru ULESE wyznaczona na podstawie pomiarów ze źródłami kalibracyjnymi:  ²⁰⁷Bi i ¹³³Ba.

Rys. 5 Spektrometr kwantów gamma EAGLE wraz z umieszczonym w centrum układu spektrometrem ULESE.