Secondary electron yield from aluminium-coated foils for muon tagging and beam monitoring up to 60 MeV/c

Resumen Técnico: Rendimiento de Electrones Secundarios de Láminas Recubiertas de Aluminio para el Etiquetado de Muones y el Monitoreo de Haz hasta 60 MeV/c

Planteamiento del Problema
Las instalaciones de haces de muones continuos, como la Fuente de Muones Suizos (SµS) en el PSI, carecen actualmente de un esquema de detección eficiente y mínimamente invasivo para el régimen de momento intermedio (aproximadamente de 2.5 MeV/c a 20 MeV/c). En los regímenes de alta energía (>20 MeV/c), los centelladores delgados (~100 µm) sirven como detectores de entrada efectivos para señales de tiempo y de inicio. Sin embargo, a energías más bajas, los muones se detienen completamente dentro de tales materiales, lo que los hace inutilizables. Por el contrario, en el régimen de muy baja energía (<20 keV), se emplean láminas de carbono ultra delgadas (10 nm) para liberar electrones secundarios para el cronometrado. El régimen intermedio sigue siendo un vacío donde los métodos basados en centelladores existentes son demasiado invasivos (causan una pérdida de energía significativa y dispersión múltiple) o donde enfoques alternativos, como detectores de semiconductores pixelados o detectores gaseosos, introducen presupuestos de material que degradan la calidad del haz o requieren una reconstrucción compleja de los productos de desintegración. Existe una necesidad específica de un concepto de detector que proporcione información temporal y espacial con una interferencia de material mínima para aplicaciones como la relajación de espín de muones (µSR) y la emisión de rayos X inducida por muones (MIXE).

Metodología
El estudio investiga la viabilidad de un etiquetado de muones basado en láminas utilizando una lámina de Mylar de 7 µm recubierta por ambos lados con 50 nm de aluminio. El experimento se llevó a cabo en la línea de haz πE1 en el PSI con un haz de muones negativos continuos con momentos nominales entre 12 MeV/c y 60 MeV/c.

La configuración experimental consiste en:

• Blanco: Una lámina de Mylar de 7 µm inclinada a 45° y polarizada a −4.2 kV.
• Detección: Dos detectores de placa de microcanales (MCP) sensibles a la posición (RoentDek DLD40) colocados simétricamente a 67 mm aguas arriba y aguas abajo de la lámina. El detector de aguas arriba (atrás) tiene una relación de área abierta (OAR) del 60%, y el detector de aguas abajo (adelante) tiene un OAR del 90%.
• Campo Eléctrico: Una configuración de polarización crea un campo eléctrico de aproximadamente 225 V/cm para guiar los electrones secundarios emitidos desde la lámina hacia los MCP.
• Referencia: Dos centelladores plásticos (de 30 µm y 200 µm de espesor) colocados aguas arriba y aguas abajo definen los muones que atraviesan la lámina y proporcionan una referencia temporal.
• Adquisición de Datos: Las señales fueron procesadas por el sistema de DAQ GIANT con resolución de tiempo de escala de nanosegundos.

El análisis consistió en extraer la eficiencia de detección correlacionando las señales de los MCP con eventos de doble coincidencia de los centelladores. Se aplicaron correcciones por pérdida de momento en el detector de entrada y en la lámina (usando simulaciones de Geant4) y por la eficiencia de transporte de electrones entre la lámina y los MCP (usando simulaciones de SIMION y perfiles de haz reconstruidos). El rendimiento de electrones secundarios (SEY) se derivó de las eficiencias medidas y se comparó con datos de la literatura para protones en aluminio.

Contribuciones Clave y Resultados

1. Demostración de Viabilidad: El estudio confirma que las láminas de Mylar recubiertas de aluminio pueden etiquetar eficazmente los muones en el rango de momento de 12–60 MeV/c. Los electrones secundarios emitidos fueron detectados con éxito, permitiendo la identificación de partículas y el cronometrado.
2. Tendencias de Eficiencia y Rendimiento: La eficiencia de detección medida aumenta a medida que el momento del muón disminuye. Esta tendencia se alinea con modelos teóricos establecidos y datos de la literatura para la emisión de electrones secundarios inducida por iones, que predice mayores rendimientos a velocidades de partículas más bajas.
   • Se encontró que la eficiencia combinada (detectar electrones en ambos lados) es significamente mayor que la detección de un solo lado.
   • Los valores de SEY extraídos para la lámina de Mylar recubierta de aluminio concuerdan bien con los datos de la literatura para superficies de aluminio oxidadas, validando la medición y la aplicabilidad de los modelos existentes basados en protones a los muones.
3. Reconstrucción del Perfil del Haz: Se logró una reconstrucción de prueba de concepto del perfil transversal del haz de muones correlacionando la distribución espacial de los electrones detectados con sus puntos de emisión en la lámina. Aunque limitado por la resolución temporal del sistema de adquisición de datos actual, los perfiles reconstruidos capturaron la estructura subyacente (distribuciones gaussianas sesgadas), demostrando el potencial para el monitoreo de haz mínimamente invasivo.
4. Análisis del Presupuesto de Material: El estudio destaca que, en el extremo inferior del rango probado (12 MeV/c), la lámina de Mylar de 7 µm comienza a limitar el rendimiento debido a que los muones se detienen dentro del material. Las simulaciones indican que las láminas de carbono ultradelgadas (por ejemplo, 8 nm) introducirían significativamente menos pérdida de momento y perturbación del haz en comparación con el Mylar, manteniendo un SEY comparable o superior.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo establece el etiquetado basado en láminas como un enfoque viable para el cronometrado combinado y el monitoreo de haz mínimamente invasivo, cerrando eficazmente la brecha entre las técnicas de centelleadores de alta energía y los métodos de láminas ultradelgadas de baja energía. Los autores afirman que el aumento observado en el SEY hacia velocidades más bajas sugiere que este enfoque será aún más efectivo en el régimen de bajo momento (<20 MeV/c).

El trabajo proporciona un nuevo punto de referencia experimental para la emisión de electrones secundarios inducida por muones en un régimen de momento previamente inexplorado. Sugiere que, al optimizar las configuraciones de los detectores (por ejemplo, usando dos MCP de alta eficiencia) y transicionar hacia láminas de carbono ultradelgadas para minimizar el presupuesto de material, los sistemas basados en láminas podrían permitir aplicaciones de etiquetado y rastreo eficientes a través de un amplio rango de energías de muones, desde el régimen intermedio hasta la escala de keV. Los resultados respaldan el desarrollo de instalaciones de haces de muones de próxima generación, como el proyecto de Beams de Muones de Alta Intensidad (HIMB), que requieren nuevos detectores de entrada para haces de baja energía.