Spektrometria elektronów konwersji

Spektrometria elektronów konwersji wewnętrznej jest eksperymentalnie dziedziną bardzo trudną, ale jednocześnie szczególnie ważną we współczesnych badaniach spektroskopowych jąder oddalonych od ścieżki stabilności beta. Waga tych badań podkreślana jest na konferencjach dotyczących struktury jądra atomowego oraz w wielu publikacjach, ze względu na komplementarność spektroskopii elektronów konwersji wewnętrznej i spektroskopii fotonów gamma. Polega ona na możliwości jednoznacznego określenia multipolowości przejść gamma w sytuacjach niepewnych lub uzyskaniu informacji o poziomach jądrowych, między którymi przejścia radiacyjne są zabronione regułami wyboru. Spektroskopia elektronów konwersji wewnętrznej jest zatem w wielu przypadkach jedynym sposobem określenia spinów i parzystości jądrowych poziomów energetycznych. Jednoczesna spektrometria elektronów konwersji wewnętrznej i fotonów gamma w pomiarach koincydencyjnych jest potężnym narzędziem pozwalającym kompleksowo badać powstałe w reakcji jądra atomowe, w szczególności parametry poziomów jądrowych i sekwencję deekscytacji wzbudzeń .

Początkowo w Uniwersytecie Łódzkim skonstruowano prosty spektrometr elektronów konwersji wewnętrznej. Składał się on z jednego detektora krzemowego Si(Li) o grubości 1.5 mm oraz magnesu solenoidalnego mającego za zadanie transportowanie elektronów od tarczy do detektora. Pomiary na wiązce cyklotronu pokazały, że spektrometria elektronów konwersji z wykorzystaniem tego spektrometru jest możliwa tylko w przedziale czasu off-beam ze względu na duże przeciążenie detektora Si(Li) w czasie in-beam.

W oparciu o zdobyte w trakcie eksperymentów doświadczenie i na podstawie wnikliwej analizy publikacji naukowych dotyczących omawianego zagadnienia został zbudowany w Uniwersytecie Łódzkim nowy wielo-detektorowy spektrometr elektronów konwersji wewnętrznej in-beam. W nowym układzie wykorzystuje się pole magnetyczne w dwóch geometriach. Jako selektora elektronów użyto magnesów w geometrii podobnej do stosowanych w spektrometrach typu mini pomarańcza. Natomiast do transportowania wyselekcjonowanych elektronów w kierunku detektorów wykorzystano stałe magnesy pierścieniowe ze spieku Nd-Fe-B. Układ został wstępnie przetestowany na wiązce cyklotronu w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów UW w Warszawie w styczniu 2006 r.

• selekcja energetyczna elektronów,
• eliminacja pozytonów,
• oddalenie źródła elektronów od detektorów dzięki obecności magnesu transportującego,
• geometria detektorów i tarczy w układzie do tyłu (minimum elektronów delta),
• zmniejszenie tła gamma i X dzięki obecności ekranującego detektory absorbenta Pb,
• efektywniejszy - dwustopniowy układu chłodzący z modułami Peltiera,
• stabilność temperatury (radiator zewnętrzny chłodzony cieczą),
• osłonięty absorbentem kanał jonowy (eliminacja elektronów delta generowanych na drodze wiązki do tarczy).

Schemat spektrometru elektronów został przedstawiony na Rys. 1. Zdjęcia spektrometru z zewnątrz oraz jego części detekcyjnej (wnętrze) są ukazane na Rysunkach 2 i  3.

Przyjęta konstrukcja pozwala zastosować sprzężenie spektrometru elektronów z wielo-detektorowym spektrometrem fotonów gamma OSIRIS II, będącym na wyposażeniu ŚLCJ, co pokazują Rysunki 4 i  5.

Zbudowanie spektrometru elektronów było w dużej mierze możliwe dzięki uzyskaniu w 2004 roku grantu aparaturowego KBN 4880/IA/106/2004. Uzyskane środki pozwoliły nie tylko na zbudowanie detektora, ale również na zakup wielu bloków elektronicznych dla systemu gromadzenia danych pomiarowych. Układ przetestowano na wiązce wykorzystując reakcję jądrową ¹⁴N + ¹⁹⁷Au, prowadzącą do powstania głównie jąder ²⁰⁶Rn z emisją 5 neutronów. Przykładowe widmo elektronów konwersji wewnętrznej pochodzące z tej reakcji przedstawiono na Rys. 6.

Rys. 1 Schemat nowego spektrometru elektronów konwersji wewnętrznej.

Rys. 2 Nowy spektrometr elektronów zbudowany w ZFJ UŁ

Rys. 3 Wnętrze (część detekcyjna) nowego spektrometru elektronów. Na zdjęciu widać 3 detektory typu PIPS (firmy Canberra) o grubości efektywnej 0.7 mm i powierzchni czynnej 300 mm² każdy oraz 2 detektory Si(Li) o grubości 1.5 mm i powierzchni czynnej 300 mm² każdy.

Rys. 4 Nowy spektrometr elektronów sprzężony z układem OSIRIS II w ŚLCJ UW w Warszawie. Tworzą one unikalny układ do jednoczesnej spektrometrii elektronów i fotonów.

Rys. 5 Nowy spektrometr elektronów sprzężony z układem OSIRIS II w ŚLCJ UW w Warszawie. Tworzą one unikalny układ do jednoczesnej spektrometrii elektronów i fotonów.

Rys. 6 Sumaryczne widmo elektronów konwersji wewnętrznej pochodzące z reakcji: ¹⁴N + ¹⁹⁷Au (w pełnym oknie amplitudowym fotonów gamma). Izotopy ²⁰²Pb i ²⁰⁶Po pochodzą z rozpadu ²⁰⁶Rn.