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

Technische Samenvatting: Secundaire Elektronenopbrengst van Aluminium-gecoate Folies voor Muon-tagging en Straalmonitoring tot 60 MeV/c

Probleemstelling
Continue muonstraalfaciliteiten, zoals de Swiss Muon Source (SµS) bij PSI, missen momenteel een efficiënt en minimaal invasief detectieschema voor het intermediaire momentumregime (ongeveer 2,5 MeV/c tot 20 MeV/c). In hogere energie-regimes (>20 MeV/c) dienen dunne scintillatoren (~100 µm) als effectieve ingangdetectoren voor timing- en startsignalen. Echter, bij lagere energieën worden muonen volledig gestopt binnen dergelijke materialen, waardoor ze onbruikbaar worden. Daarentegen worden in het zeer lage energie-regime (<20 keV) ultradunne koolstoffolies (10 nm) gebruikt om secundaire elektronen vrij te maken voor timing. Er blijft een gat in het intermediaire regime waar bestaande scintillator-gebaseerde methoden te invasief zijn (veroorzaken aanzienlijk energieverlies en meervoudige verstrooiing), of alternatieve benaderingen zoals gepixeliseerde halfgeleiderdetectoren of gasdetectoren materialen introduceren die de straalkwaliteit verslechteren of complexe reconstructie van vervalproducten vereisen. Er is een specifieke behoefte aan een detectorconcept dat timing- en ruimtelijke informatie biedt met minimale materiële interferentie voor toepassingen zoals muon-spinrelaxatie (µSR) en muon-geïnduceerde röntgenemissie (MIXE).

Methodologie
De studie onderzoekt de haalbaarheid van folie-gebaseerde muon-tagging met een 7 µm Mylar-folie die aan beide zijden is gecoat met 50 nm aluminium. Het experiment werd uitgevoerd bij de πE1 beamline bij PSI met een continue negatieve muonstraal met nominale impulsen tussen 12 MeV/c en 60 MeV/c.

De experimentele opstelling bestaat uit:

• Target: Een 7 µm Mylar-folie gekanteld op 45° en gebiased op −4,2 kV.
• Detectie: Twee positiegevoelige Microchannel Plate (MCP) detectoren (RoentDek DLD40) die symmetrisch 67 mm stroomopwaarts en stroomafwaarts van de folie zijn geplaatst. De stroomopwaartse detector (achterwaarts) heeft een open-area ratio (OAR) van 60%, en de stroomafwaartse detector (voorwaarts) een OAR van 90%.
• Elektrisch Veld: Een bias-configuratie creëert een elektrisch veld van ongeveer 225 V/cm om uitgezonden secundaire elektronen van de folie naar de MCP's te leiden.
• Referentie: Twee plastic scintillatoren (3ik dik en 200 µm dik) geplaatst respectievelijk stroomopwaarts en stroomafwaarts definiëren passerende muonen en bieden een tijdsreferentie.
• Data-acquisitie: Signalen werden verwerkt door het GIANT DAQ-systeem met nanoseconde-schaal tijdsresolutie.

De analyse omvatte het extraheren van de detectie-efficiëntie door MCP-signalen te correleren met dubbel-coïncidentie gebeurtenissen van de scintillatoren. Correcties werden toegepast voor momentumverlies in de ingangdetector en de folie (met behulp van Geant4-simulaties) en voor de transportefficiëntie van elektronen tussen de folie en de MCP's (met behulp van SIMION-simulaties en gereconstrueerde straalprofielen). De secundaire elektronenopbrengst (Secondary Electron Yield, SEY) werd afgeleid van de gemeten efficiënties en afgezet tegen literatuurgegevens voor protonen op aluminium.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

1. Demonstratie van Haalbaarheid: De studie bevestigt dat aluminium-gecoate Mylar-folies effectief muonen kunnen taggen in het 12–60 MeV/c momentumbereik. De uitgezonden secundaire elektronen werden succesvol gedetecteerd, wat deeltjesidentificatie en timing mogelijk maakte.
2. Efficiëntie en Opbrengsttrends: De gemeten detectie-efficiëntie neemt toe naarmate het momentum van de muon afneemt. Deze trend komt overeen met gevestigde theoretische modellen en literatuurgegevens voor ion-geïnduceerde secundaire elektronenemissie, die een hogere opbrengst voorspellen bij lagere deeltjessnelheden.
   • De gecombineerde efficiëntie (detectie van elektronen aan beide zijden) bleek aanzienlijk hoger dan detectie aan één zijde.
   • De geëxtraheerde SEY-waarden voor de aluminium-gecoate folie komen goed overeen met literatuurgegevens voor geoxideerde aluminiumoppervlakken, wat de meting valideert en de toepasbaarheid van bestaande proton-gebaseerde modellen op muonen bevestigt.
3. Reconstructie van het Straalprofiel: Een proof-of-principle reconstructie van het transversale muonstraalprofiel werd bereikt door de ruimtelijke verdeling van gedetecteerde elektronen te correleren met hun emissiepunten op de folie. Hoewel beperkt door de tijdsresolutie van het huidige data-acquisitiesysteem, legden de gereconstrueerde profielen de onderliggende straalstructuur vast (geskeefde Gaussische distributies), wat het potentieel demonstreert voor minimaal invasieve straalmonitoring.
4. Analyse van het Materiaalbudget: De studie benadrukt dat aan de lagere kant van het geteste bereik (12 MeV/c), de 7 µm Mylar-folie begint de prestaties te beperken doordat muonen binnen het materiaal stoppen. Simulaties geven aan dat ultradunne koolstoffolies (bijv. 8 nm) aanzienlijk minder momentumverlies en straalperturbatie zouden introduceren vergeleken met Mylar, terwijl ze een vergelijkbare of hogere SEY behouden.

Betekenis en Claims
Het artikel stelt vast dat folie-gebaseerde tagging een levensvatbare benadering is voor gecombineerde timing en minimaal invasieve straalmonitoring, waarmee het effectief de kloof overbrugt tussen hoog-energetische scintillator-gebaseerde technieken en laag-energie ultradunne foliemethoden. De auteurs beweren dat de waargenomen toename van de SEY richting lagere snelheden suggereert dat deze benadering nog effectiever zal worden in het lage-momentumregime (<20 MeV/c).

Dit werk biedt een nieuw experimenteel referentiepunt voor muon-geïnduceerde secundaire elektronenemissie in een voorheen onverkend momentumregime. Het suggereert dat door detectorconfiguraties te optimaliseren (bijv. door twee hoog-efficiënte MCP's te gebruiken) en over te stappen naar ultradunne koolstoffolies om het materiaalbudget te minimaliseren, folie-gebaseerde systemen efficiënte tagging- en tracking-toepassingen kunnen mogelijk maken over een breed scala aan muonenergieën, van het intermediaire regime tot aan de keV-schaal. De resultaten ondersteunen de ontwikkeling van volgende generatie muonstraalfaciliteiten, zoals het High-Intensity Muon Beams (HIMB) project, die nieuwe ingangsdetectoren voor laag-energie stralen vereisen.