실리콘 픽셀 검출기의 전하 문턱값 측정 연구 = Study on the Charge Threshold Measurement of the Silicon Pixel Detector

국문 초록 (Abstract)

실리콘 검출기는 낮은 물질량으로 인해 입자의 에너지 손실을 최소화 하면서 높은 공간 분해능으로 검출기에 입사하는 입자의 위치를 측정할 수 있다. 앨리스 픽셀 검출기(ALICE PIxel DEtector, ALPIDE)는 거대 이온 충돌 실험(A Large Ion Collider Experiment, ALICE)의 가장 중심에 위치한 검출기인 내부 궤적 장치(Inner Tracking System, ITS)에서 사용되고 있는 실리콘 검출기로 단일형 활성 픽셀 검출기(Monolithic Active Pixel Sensor, MAPS) 기술에 기반하여 낮은 전력 소비와 향상된 처리속도를 지닌 각광받는 검출기이다.

ALPIDE는 주로 ITS에 탑재되어 여러 개의 묶음으로 사용되지만 연구 개발 단계에서의 사용을 위한 단일 시스템이 존재하며 ALICE 한국 그룹에서도 이에 기여하고 있다. ALPIDE는 이미 ITS에서 사용되고 있으나 단일 시스템을 이용한 여러 실험 및 차세대 픽셀 검출기의 연구 개발이 활발히 진행 중에 있기에 ALPIDE의 단일 시스템 생산은 여전히 연구 개발에 큰 기여이다. 또한 ALICE 한국 그룹에서는 차세대 픽셀 검출기의 연구 개발에 필수적인 실험인 텔레스코프 실험에도 참가하였으며 이를 바탕으로 국내에서의 텔레스코프 제작 및 실험 진행을 계획하고 있다.

이에 있어 방사선에 의한 ALPIDE의 특성 변화 연구는 여전히 중요하고 특히 ITS는 빔 라인에 가장 가깝게 위치한 검출기로 총 이온화 선량(Total Ionizing Dose, TID) 효과에 의한 특성 변화 연구는 필수적이다. 이러한 연구는 여러 빔 시설을 통하여 진행 되었으며 한국에서도 20 MeV 양성자 빔을 통한 방사선 내구성 연구의 측정 가능성에 대한 연구가 진행된 바 있다. 하지만 높은 선속에서는 ALPIDE가 제대로 작동하지 못하였기에 낮은 선속이 필요하였고 결국 산란된 빔을 사용하였다. 이 연구에서는 경주 양성자과학연구단(KOrea Multi-purpose Accelerator Complex, KOMAC)의 저선속 고에너지 빔 시설인 TR102을 통한 양성자 빔에 의한 총 이온화 선량 효과 측정 실험을 수행하였다.

하지만 실험 도중 방사화 된 칩에서 문턱값이 측정되지 않은 몇몇 픽셀들을 발견하였고 본 논문에서는 이러한 현상을 규명하기 위해 양성자 빔과 방사선 선원을 이용한 여러 실험을 수행함으로써 몇몇 픽셀들이 문턱값이 측정되지 않는 이유와 이 현상이 위치 의존성을 갖는 원인에 대하여 논의하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 대형 이온 충돌 실험(A Large Ion Collider Experiment, ALICE) 1
• 1.2 내부 궤적 장치(Inner Tracking System,ITS) 4
• 1.3 앨리스 픽셀 검출기(ALICE PIxel DEtector, ALPIDE)칩 7
• 제 2 장 ALPIDE의 특성 연구 12
• 2.1 ALPIDE 단일 칩의 특성 연구를 위한 테스트 시스템 12
• 2.1.1 칩 캐리어 보드. 14
• 2.2 전하 문턱값(ChargeThreshold) 21
• 2.3 총 이온화 선량 효과 측정 실험 23
• 2.3.1 경주 양성자과학연구단(KOMAC)의 양성자 빔을 활용한 문턱값 측정 실험 24
• 2.3.2 총 이온화 선량 효과 측정 결과 26
• 2.3.3 문턱값 지도에서의 이상 현상 29
• 제3 장 ALPIDE의 문턱값 측정 불가 픽셀 오류 연구 31
• 3.1 PCB 물질 조각을 부착한 ALPIDE의 양성자 빔 조사 실험 31
• 3.2 선원을 이용한 문턱값 측정에서의 입자의 영향 측정 실험 34
• 3.3 문턱값과 히트맵에서의 측정 순서에 따른 차이 측정 36
• 3.3.1 문턱값 측정 순서에 대한 영향 36
• 3.3.2 히트맵 측정 순서에 의한 영향 37
• 3.4 마스킹방식에의한영향 38
• 3.4.1 마스킹된 채로 선원에 조사되는 시간에 따른 히트맵 차이 38
• 3.4.2 마스킹된 채로 선원에 조사된 후의 문턱값 측정 39
• 3.4.3 마스킹을 해제하는 방식에 따른 히트맵 차이 40
• 3.4.4 구역별선원에조사되는시간차이에따른히트맵 40
• 3.5 결과정리및결론 41
• 제 4 장 요약 및 전망 44
• 4.1 요약 44
• 4.2 전망 45
• 부록 46
• 제A장 텔레스코프 실험을 통한 차세대 검출기의 특성 조사 46
• A.1 차세대실리콘픽셀검출기칩. 46
• A.2 텔레스코프 48
• A.2.1 트리거 48
• A.2.2 작동및운용 50