Design of Muon Beam Profile Monitor for µSR Facility at RAON

Abstract

The muon spin rotation, relaxation, and resonance (µSR) facility of the rare isotope accelerator complex for on-line experiments (RAON) was designed as a materials science research facility, and it is being constructed as a part of the Rare Isotope Science Project (RISP). Performance verification, commissioning, and tuning of components are required for the installation of the designed target and beamline. In the past, muon beam facilities had realized the aforementioned requirements through the measurement and optimization of positrons or electrons resulting from the decay of muons that stopped in the sample. However, this approach requires a significant amount of time. Furthermore, it is difficult to detect the changes in the beams caused by damage to the components occurring during beamline installation. To address this problem, a muon beam profile monitor (µBPM), which is a muon measurement system for verification and tuning, was developed. However, there has been a paucity of studies on determining the specifications for a µBPM prior to beamline construction. In this study, methods for determining the specifications for a µBPM are discussed through Monte-Carlo methods. A µBPM requires particle identification (PID) for measuring the separation of muon beams contaminated with elementary particles, including positrons, pions, and protons, and should be capable of measuring the muon beam intensity and distribution. Therefore, the specifications for a µBPM should be determined by measuring the beam specifications. The beam specification was derived via G4beamline, which is a particle beam transport code based on the Monte-Carlo method with GEANT4 toolkit. The modeling of the simulation was based on the specifications of µSR facilities designed in Hanyang University in association with the RISP. The µBPM was designed as grid-shaped scintillating fibers, and it required scintillating fibers with a thickness of 0.5 mm, energy resolution of 0.300 MeV at 0.988 MeV, timing resolution of 25 ns, deadtime of 17.06 µs, assumed for a 10 nA-proton beam, minimum position resolution of 40 mm and 13 mm, and active area of 120 × 120 mm2. The PID performance of muons and positrons based on the energy resolution was verified by using β-ray (94.8 nCi-90Sr) measurements and simulation results. The design of the experiment consisted of square type scintillating fibers with a diameter of 0.5 mm, 1 × 1 mm2 silicon photomultiplier (SiPM), preamplifier and flash-analog to digital converter (FADC). The performance evaluation results sufficiently satisfied the performance with beam specifications for the µSR facility at RAON, and thus, a µBPM was developed based on these specifications. In this study, to verify efficient performance while installing µSR facilities, a µBPM was systematized to the methodology involving the Monte-Carlo method. This procedure involved eight stages. If verification of designed µBPM is conducted, these specification derivation and design process are expected to provide guideline for the development of a µBPM in a muon beamline facility in scheduled construction. |한국형중이온가속기(RAON)의 µSR (muon spin potation, relaxation, and resonance) 시설은 물성과학 연구에 이용되기 위해 설계되었으며, 중이온가속기구축사업단(RISP)으로부터 건설 중이다. 설계된 시설의 빔라인 설치 시, 장치의 검증 및 튜닝 작업이 필요하다. 과거에는 상기 작업을 샘플에서 멈춘 뮤온의 붕괴로부터 발생되는 양전자 또는 음전자를 측정하여 최적화함으로써 수행했다. 하지만, 이러한 방식은 상당한 시간이 소요된다. 또한, 빔라인 설치 중 발생하는 기기들의 일부 손상으로부터 기인하는 빔의 변화를 감지하기 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 검증 및 튜닝에 필요한 검출시스템인 뮤온 빔 프로파일 모니터(µBPM)가 개발됐다. 하지만, µBPM을 설계 및 제작하기 위한 방법을 체계화하는 연구는 부족했다. 본 논문에서는 이를 위한 방법론을 Monte Carlo방식을 이용하여 결정하는 방법에 대해 논의했다. µBPM은 양전자, 파이온, 양성자 등에 오염된 뮤온 빔의 분리 측정을 위해 입자식별(particle identification, PID) 기능을 기본으로, 뮤온 빔 강도(beam intensity)와 분포(beam distribution)를 측정할 수 있어야 한다. 따라서, 측정대상 빔 사양에 의해 µBPM 세부사양이 결정되어야 한다. 빔 사양은 Monte Carlo 방식의 GEANT4 toolkit에 기반한 입자 빔 수송 코드인 G4beamline을 통해 도출했다. 시뮬레이션의 모델링에는 한양대학교와 RISP에서 공동으로 설계한 µSR 시설의 사양을 적용했다. µBPM의 구성은 격자형태의 섬광섬유 및 SiPM array로 설계하였으며, 0.5 mm 두께의 섬광섬유, 0.300 MeV at 0.988 MeV의 에너지분해능, 25 ns의 시간분해능, 17.06 µs의 불감시간, 40 mm와 13 mm의 최소위치분해능 및 120 × 120 mm2의 유효면적을 도출하였다. 에너지분해능에 기초한 뮤온과 양전자의 PID 기본 성능평가실험은 β-ray (94.8 nCi-90Sr)의 측정 및 시뮬레이션 결과를 통해 수행되었다. 실험 구성은 0.5 mm 직경의 square type 섬광섬유, 1 × 1 mm2 면적의 SiPM, preamplifier 및 FADC를 이용했다. 성능평가 결과는 RAON의 µSR 시설에서 만족 가능하며, 이 사양을 토대로 µBPM을 제작하기로 결정했다. 본 논문에서는 µSR 시설 설치 시 효율적인 성능검증을 하기 위한 µBPM을 Monte Carlo 방식을 이용하여 설계하는 방법론을 체계화하였다. 이를 위한 절차는 총 8단계로 구성된다. 설계된 µBPM의 성능이 입증되면, 이러한 µBPM의 사양도출 및 설계 체계는 건설예정인 뮤온 빔라인 시설에 지침을 제공할 것으로 기대된다.