Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 6: Test beam specifications
6–145
aim the particle beam such that a large fraction of the lower-energy hadronic showers are contained
in one drift volume, thus minimizing the uncertainties from particles lost in the inactive detector
materials. As shown in Figure 6.1, multiple beam injection points have been explored. Based on
inputs from the physics group, the larger angle (beam # 3) w.r.t. the APA plane (Saleve side),
which corresponds to about 13
◦
, is preferred. Due to engineering and safety considerations, only
beam #3 will be fully instrumented with the beam window system as described in Sections 2.4.5
and 2.10.6. The remaining two beam positions do not have the beam window system installed.
With this configuration, beam #3 is the primary beam with which most of the physics data will
be taken.
Figure 6.1: Three possible beam injection points. The cryostat support structures near the beam
injection points are removed in the Figure to show the interior. Beam window and beam plug are
installed only for beam # 3.
A summary of the beam requirements is shown in Table 6.1.
Table 6.1: Particle beam requirements. (Kaon rate is low for beam momentum below 2 GeV/c.)
Parameter
Requirements
Particle Types
e
±
, µ
±
, π
±
,
(K),p
Momentum Range
0.5 - 7 GeV/c
Momentum Resolution
∆p/p ≤ 3 %
Transverse Beam Size
RMS(x,y) ≈ 1 cm
(At the entrance face of the LAr cryostat)
Beam Entrance Position
Beam # 3 (Figure 6.1) - Saleve side TPC
Rates
∼
25− ∼ 100 Hz
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

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Chapter 6: Test beam specifications
6–146
6.2
Beamline
The design of the H4 beamline extension mirrors that of the H2. In this section, we describe the
beamline design and the expected beam properties.
6.2.1
H4 beamline layout and optics
The placement of the quadrupole and dipole magnets in the H4 beamline extension is illustrated
in Figure 6.2. The distance from the secondary target to the front of the NP04 cryostat is about
37 m. For the hadron beam, either a tungsten or a copper target will be used. For the electron
beam, a Pb target of a few radiation lengths will be used. The first two dipole magnets (shown
in red) after the secondary target are rotated by about 56
◦
to steer the beam downward towards
the cryostat. The third dipole magnet (shown in green) is used for steering the beam horizontally
into one of the three beam positions.
Figure 6.2: Layout of the quadrupole and dipole magnets in the H4 beamline extension. The secondary
target (not shown) is upstream of the first quadrupole magnet on the left side of the Figure. Vacuum
beam pipe and beam instrumentations are also not shown. (Courtesy of V. Clerc, CERN).
The beamline optics from the target to the cryostat for the horizontal and vertical planes are
shown in Figure 6.3. The Figures show the position of the quadrupole magnets (Q17-Q22), dipole
magnet (B17 - B19), collimator (C12), Time-of-Flight detectors (TOF1-2), beam profile monitors
(BPROF1-4), and the Threshold Cherenkov counters (XCET1-2) relative to the secondary target.
For the nominal configuration, the beam is focused at the front of the cryostat to ensure maximum
acceptance of beam particles through the beam window penetration and the beam plug inside the
cryostat.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

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Chapter 6: Test beam specifications
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The beamline is in vacuum, with a beam pipe extending from the secondary target down to the
beam window in the cryostat upstream face.
6.2.2
Beam properties
A full GEANT4 simulation of the H4 beamline including its extension to the ProtoDUNE-SP de-
tector has been performed.The beamline model starts with the H4 secondary beamline and derives
the particle properties in the tertiary beamline. Target, magnets, collimators and a preliminary
assumption about beam instrumentation are included. The secondary target has been modeled
as a Tungsten cylinder (R=30 mm, L=300 mm) for beam momenta ≤ 3 GeV/c and as a Cop-
per cylinder of the same dimensions for beam momenta > 3 GeV/c. Optimization of the target
dimensions and material is ongoing.
Table 6.2 describes the particle composition of the hadron beam at the entrance of the cryostat.
Two features are evident. First, the beam is dominated by positrons at low energies, and secondly,
the kaon content, and to a lesser extent the pion content, are depleted at lower energies due to
decays of these species along the beam path.
Table 6.2: Beam composition (in percentage) at the cryostat entrance for particles contained in the
beam pipe (R= 10 cm).
Momentum (GeV/c)
e
+−
K
+−
µ
+−
p
+−
π
+−
-7
27.4
3.4
1.0
1.3
66.9
-6
33.5
2.9
1.2
1.3
61.2
-5
43.2
1.9
1.3
1.1
52.5
-4
54.6
1.1
1.4
0.6
42.3
-3
28.4
1.1
2.3
1.4
66.8
-2
48.9
0.3
1.8
0.4
48.6
-1
81.7
0.2
1.1
0.2
16.9
-0.4
98.3
0.0
0.4
0.0
1.3
0.4
99.1
0.0
0.0
0.5
0.5
1
69.3
0.0
0.3
15.3
13.9
2
34.9
0.6
1.7
22.9
39.0
3
19.9
2.8
0.6
18.9
56.6
4
47.1
1.6
1.1
8.8
41.3
5
37.0
2.8
0.9
9.4
49.5
6
28.1
4.0
0.9
10.4
56.2
7
20.6
5.1
1.0
10.7
62.6
Particle rates, assuming a spill intensity of 10
6
particles on the secondary target and a SPS spill
length of 4.8 seconds, are reported in Table 6.3. The H4 simulation results are documented in
CERN-ACC-NOTE-2016-0052.
At momenta larger than about 4 GeV/c, the particle rates are at the limit or beyond the DAQ
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

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