Comprehensive Design and Fabrication of Muon Beam Transport System for the First μSR Facility in Korea

Abstract

뮤온 스핀 회전/이완/공명(μSR)은 물질의 국소 자기장 및 초전도성 등의 자기적 성질을 연구하기 위하여 민감한 탐침자로써 뮤온 빔을 이용하는 분광 기법이다. 표면 뮤온의 큰 자기 모멘트, 스핀 편극 및 상대적으로 짧은 비정 등의 특성을 바탕으로 μSR의 수요는 전 세계적으로 증가하는 추세이다. 그 결과, 한국에서는 중이온가속기 복합시설인 RAON에 국내 최초의 μSR 시설의 구축이 결정되었다. 본 연구의 목표는 공간적인 제약과 자원의 제한을 극복하면서, 방사선 방호 및 고전압 보호에 대한 상세한 분석을 수행함으로써 시스템 요구사양을 만족하는 뮤온 빔 전송 시스템을 설계하고 구축하는 것이다. 전송 파라미터와 콘크리트 차폐체의 구조를 기반으로 전자석의 크기, 사양 및 위치가 결정되었다. 해당 요소들은 전송 매트릭스 연산을 이용한 빔 광학 계산을 통하여 최적화되었다. 빔라인 구성은 해외 시설 대비 적은 수의 소구경 전자석들로 이루어지도록 최적화되었으며, 일반적인 표면 뮤온 μSR 시설에서 최초로 대구경 솔레노이드를 활용하여 뮤온 수집량을 극대화하였다. 보다 현실적인 조건들을 적용하여 뮤온 및 이차 입자 전송률, 실험 샘플에서의 뮤온 강도 및 beam profile, 뮤온 스핀 회전각 등을 평가하기 위하여 필드맵 기반 입자 추적 전산모사를 수행하였다. 설계된 빔라인은 2개의 솔레노이드, 2개의 2극 자석, 9개의 4극 자석 및 1개의 Wien filter로 구성되어, 설계 목표인 뮤온 수집량 대비 1% 이상의 전송 효율을 달성하였다. 1.5 × 1.5 mm2 크기의 샘플에서의 뮤온 강도는 ±3%의 운동량 범위 내에서 5.2 × 106 μ+/s로 도출되어, 전 세계의 일반적인 μSR 시설 중 가장 높은 강도를 달성한 것으로 평가되었다. Wien filter에 의해 뮤온 스핀 각은 45°로 회전되며, 이차 입자들이 제거되었다. 설계에 따라 전자석들이 제작되어 RAON의 μSR 시설에 설치되었으며 예비 비용 평가의 절반 수준으로 달성되었다. 몬테카를로 전산모사를 이용하여 수집용 전자석에 대한 설계 수명인 40년 동안의 흡수선량이 평가되었다. 코일 절연 물질로써 10 MGy까지 내방사성을 갖는 일반적인 에폭시 수지가 선택되었다. Wien filter는 자체적으로 설계, 제작 및 컨디셔닝되어 독점 공급업체 대비 생산 비용을 저감하였다. 고전압 방전을 방지하기 위해 구조 설계를 최적화함으로써, 삼중점 부근에 집중되는 전계 강도를 1 MV/m 이하로 제한하였다. 또한 ±120 kV 및 38 mT의 운전 성능목표를 달성하며 컨디셔닝이 완료되었다. 뮤온 빔이 제공되지 않는 상황에서 베타 방사선원을 이용하여 빔 전송 시스템의 운전 테스트가 수행되었다. 결과와 관련된 잠재적인 이슈들을 제시하였으며 전산모사를 통하여 평가되었다. 본 연구를 바탕으로 국내 최초의 μSR 시설의 뮤온 빔 전송 시스템이 성공적으로 설계 및 구축되었으며, 공간 및 자원의 제약이 극복되었다. 소구경을 갖는 소수의 전자석으로 구성된 빔라인에서 대구경 솔레노이드의 사용과, 빔 광학 및 입자 추적 방법을 활용한 최적화로 인해 세계의 유사 시설과 비교하여 가장 높은 뮤온 강도를 달성하였다. 또한, 구성 요소들의 방사선 방호 및 고전압 방전 보호에 대한 세부적인 분석을 통해 운전 안전성이 보장되었으며, 이로 인해 모든 구성 요소의 컨디셔닝과 빔라인의 운전 테스트가 완료되었다. 국내 최초의 μSR 시설의 성공적인 설립과 운영을 통하여 국내외 연구자들에게 다양한 연구의 기회를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. |Muon Spin Rotation/Relaxation/Resonance (μSR) is a spectroscopy technique utilizing muons as sensitive probes to investigate magnetic properties of materials such as local magnetism and superconductivity. Given the unique features of surface muons - large magnetic moment, spin polarization, and short range - the global demand for μSR is consistently growing. Consequently, in Korea, a decision was made to establish the first domestic μSR facility at RAON, a heavy-ion accelerator complex. The objective of this study is to design and build a muon beam transport system that satisfies the system requirements to facilitate material science experiments at the general-purpose μSR facility at RAON, overcoming constraints such as spatial restrictions and budget limitations while conducting thorough analyses for radiation protection and high voltage protection. The dimensions, specifications, and locations of the electromagnets were determined based on the transmission parameters and the shielding concrete structure. These factors were optimized through beam optics calculations using transfer matrix formalism. The beamline configuration was optimized to include a smaller number of magnets with smaller apertures compared with other facilities, and large aperture solenoids were utilized for the first time in general-purpose surface muon μSR facilities to maximize muon collection. Fieldmap-based particle tracking simulations were performed to evaluate muon and secondary particle transmission, muon intensity and beam profile at the experimental sample, and muon spin rotation, applying more realistic conditions. The designed beamline, composed of two solenoids, two dipoles, nine quadrupoles, and a Wien filter, achieved its design objective with a transmission efficiency over 1% of the collected muons. The muon intensity at the 1.5 × 1.5 mm2 sample was derived to be 5.2 × 106 μ+/s at 400 kW operation within a momentum bite of ±3%. This configuration has been evaluated as having the highest intensity among world’s general-purpose μSR facilities. The muon spin angle is rotated by 45°, and the contaminant particles are eliminated by the Wien filter. Based on the design, magnetic components were fabricated and installed at the μSR facility at RAON, at half the cost of the preliminary estimate. The absorbed dose to the collecting magnet for a lifetime of 40 years was evaluated using Monte Carlo simulations. A typical epoxy resin, with a radiation tolerance of 10 MGy, was selected as the coil insulation material. The Wien filter was designed, fabricated, and conditioned in-house, resulting in reduced production costs compared to those from an exclusive supplier. High voltage spark protection was achieved by optimizing the structural design to limit the electric field strength near the triple points below 1 MV/m. Conditioning of the Wien filter was completed with a goal of operation at ±120 kV and 38 mT. Operation tests for the beam transport system were carried out using a beta radiation source since the muon beam was not available. The potential issues related to the results were addressed and evaluated. This study successfully designed and established a muon beam transport system of the first μSR facility at RAON, overcoming spatial and budget constraints. The use of large aperture solenoids and optimizations of beamline using beam optics and particle tracking methods resulted in the highest muon intensity among similar facilities globally despite the small number of magnets with small apertures. Furthermore, operational safety has been ensured through detailed analyses of radiation protection and high-voltage spark protection for the components. As a result, conditioning of all components and operational test of the beamline have been completed. The successful establishment and operation of the first μSR facility in Korea is expected to provide fruitful research opportunities for both domestic and international researchers.