Magnetic trap characterization of the CREScent experiment

Abstract

Das CREScent-Experiment soll einen neuartigen Ansatz für die Elektronenspektroskopie bieten. Der Ansatz basiert auf einer Frequenzmessung der emittierten elektromagnetischen Strahlung. Das Experiment basiert auf dem Prinzip, dass Elektronen, die sich in einem uniformen Magnetfeld bewegen, Zyklotronstrahlung aussenden und die Frequenz dieser Strahlung proportional zur Energie des Elektrons (30–600 keV) ist. Die Methode ist allgemein bekannt als Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy (CRES). Um die emittierte elektromagnetische Strahlung genau messen zu können, muss das Signal eine ausreichende zeitliche Länge haben (Größenordnung von ms). Um die Signaldauer zu verlängern, wurde eine Magnetfalle konstruiert, die die Elektronen im zentralen Bereich des starken Magnetfelds einschließt. Ziel dieser Arbeit war es, die Wirksamkeit dieser Magnetfalle zu charakterisieren, indem die Anzahl der Elektronen gemessen wurde, die der Magnetfalle entkommen. Zum Nachweis der Elektronen wurde ein szintillationsbasierter Messaufbau verwendet. Es wurden Messungen bei verschiedenen Strömen in den Fallenspulen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Magnetfalle die Elektronen effektiv einschließt. Darüber hinaus hält ein höherer Strom in den Fallenspulen und eine damit tiefere Magnetfalle mehr Elektronen fest. Es wurde verifiziert, dass bei ausreichend niedrigen Elektronen/Gammaenergien die Energie/Kanal-Beziehung des Szintillations basierten Messaufbaus linear ist. Außerdem wurde untersucht, wie das Magnetfeld den Detektor beeinflusst und das resultierende Spektrum wurde modelliert.

The CREScent experiment aims to provide a novel approach to electron spectroscopy based on a frequency measurement of the emitted electromagnetic radiation. The experiment operates on the principle that electrons gyrating in a uniform magnetic field emit cyclotron radiation, and the frequency of this radiation is proportional to the energy of the electron (30-600 keV). The technique is commonly known as Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy (CRES). In order to measure the emitted electromagnetic radiation accurately the signal has to be of sufficient length (timescale of ms). To increase signal duration a magnetic trap which confines the electrons in the central region of high magnetic field was constructed. The aim of this work was to characterize the effectiveness of this magnetic trap by measuring the number of electrons that escape the magnetic trap. A scintillation based measurement setup was used to detect the electrons. Measurements at different trap coil currents were taken. The results show that the magnetic trap was effective in confining electrons. Furthermore, a higher current in the trap coils and thus deeper magnetic trap confined more electrons. It was verified that at low enough electron/gamma energies, the energy/channel relationship of the scintillation based measurement setup is linear. It was also explored how the magnetic field influences the detector and the resulting spectrum was modeled.