입자 가속기로부터 나오는 빔을 표적에 조사하는 실험에서 빔의 궤적을 아는 것은 실험 결과 분석의 첫 단계라 할 수 있을 정도로 중요하다. 이러한 빔의 궤적을 추적하는 용도로 사용하는 검출기는 입사 빔의 초기 에너지를 거의 그대로 유지하며 검출기를 통과할 수 있도록 검출기 내에서의 에너지 손실이 적어야 하며, 우수한 위치 분해능(Spatial resolution)을 가지고 있어야 한다. 이러한 조건에 맞는 대표적인 검출기가 기체 검출기의 일종인 표류 검출기(Drift chamber)이다[1]. 표류 검출기는 기체 내에서 생성된 전자신호의 퍼짐이 적기 때문에 위치 분해능이 뛰어난 검출기이다. 따라서 표류 검출기는 원자력 병원을 포함한 국내외 다양한 입자 가속기를 이용한 실험 기관에서 폭넓게 사용할 수 있을 것으로 기대된다[2].

대전에 건설 중인 `희귀 원소 가속기(Rare isotope Accelerator complex for ON-line experiments, RAON)'[3,4]의 빔을 이용하는 ‘다목적 대영역 입자측정장치(Large Acceptance Multi-Purpose Spectrometer, LAMPS)’[4-6] 실험에서는 표류 검출기를 입사한 빔이 표적의 어느 위치에 충돌하는지를 추적하는데 사용하려고 제작하고 `빔 표류 검출기(Beam Drift Chamber, BDC)'라고 명명하였다. BDC의 성능 검증을 위하여 LAMPS에 설치된 BDC의 본제품에 준하여 제작된 시제품 BDC(Prototype BDC, pBDC)를 추가로 제작하여 2023년 2월에 일본 치바시 소재 치바 중이온 의료용 가속기(Heavy Ion Medial Accelerator in Chiba, HIMAC)를 통해 성능 검증을 진행해왔다.

본 논문에서는 제작한 pBDC의 구조를 설명하고 HIMAC[7]에서의 테스트 결과로 분석된 pBDC의 성능 검증 결과를 소개하고자 한다.

표류 검출기는 Fig. 1에 보이듯이 상자 형태의 금속 뼈대(frame) 안에 음극판(cathode plane)과 양극판(anode plane)이 적층된 형태로 구성되며 검출기 내부는 하전 입자 통과시 이온화에 적합한 아르곤(Ar), 메탄(CH₄), 이소부탄(isobutane) 등의 기체로 채워진다. 음극판은 고전압이 인가될 수 있는 얇은 금속층이 검출 영역에 분포하고 있고 양극판은 신호선(signal wire)과 퍼텐셜 선(potential wire)으로 이루어지며 퍼텐셜 선과 신호선이 교차되어 위치하고 있다.

Figure 1. (Color online) Structure of drift chamber.

이후 음극판과 퍼텐셜 선, 신호선에 인가하는 전압에 따라 상대적으로 양의 전압을 가지는 신호선을 중심으로 상대적으로 음의 전압이 인가된 상하의 양극판과 좌우의 퍼텐셜 선에 의해 전기장이 형성된다.

가속기에서 조사된 하전 입자가 검출기를 통과하면 검출기를 채우고 있는 기체 분자와 상호 작용하여 기체 분자를 이온화 시킨다. 이렇게 이온화를 통해 방출된 1차 전자(primary electron)는 고전압에 의해 신호선 주위에 형성된 전기장에 의해 신호선을 향해 가속되어 이동하게 된다. 이때 이동하는 1차 전자는 추가적으로 주위의 기체 분자와 상호 작용하여 추가적인 이온화 현상을 일으켜 이를 통해 방출된 2차 전자(secondary electron) 역시 신호선을 향해 가속된다. 이러한 전자의 흐름(electron cascade)이 신호선에 도달하는데 걸리는 표류 시간(drift time)을 측정하고 그 분포를 분석하여 입자의 표류 속도(drift velocity)를 측정할 수 있다. 신호선으로부터 입사 입자까지의 거리 X는 표류 속도 v_D와 표류 시간 Δt를 이용하여 아래 식으로 구할 수 있다.

이렇게 각 신호선이 분포된 양극판 층마다 입자의 거리를 구할 수 있고, 이 분포를 가지고 입사된 입자의 궤적을 재구성할 수 있다. 또한 이렇게 구한 입자의 궤적으로부터 검출기의 위치 분해능을 얻을 수 있게 된다.

본 실험에 이용한 pBDC는 상자 형태의 뼈대에 음극판 9장과 양극판 8장을 교대로 쌓아 제작되었다. 검출기 안에는 1기압의 P-10 혼합가스(Ar (90%) + CH₄ (10%))을 채워 분당 약 200–300 cc의 속력으로 공급하였다. 가운데가 뚫인 형태로 제작된 PCB 소재의 음극판에는 두께가 6 μm 의 알루미늄이 양면 코팅된 마일라가 부착되었다. PCB로 제작된 양극판의 신호선과 퍼텐셜선으로는 모두 도금된 텅스텐 선을 사용했으며 신호선의 직경은 20 μm, 퍼텐셜 선의 직경은 80 μm다. 제작된 검출기의 자세한 사양은 (Table 1)에 표시했다.

Table 1

Specification of BDC.

Parameter	Value
Signal wire	20 μm, Au-W
Potential wire	80 μm, Au-W
Anode configuration	XX'YY' × 2, 8 layers
Cathode	6 μm, Al-mylar, 9 layers
Cell size	5 mm (drift length 2.5 mm)
Active area	160 × 160 mm2
Number of channel	256 (32 wires/plane)
Operation gas	P-10 (Ar (90%) + CH4 (10%))

pBDC를 제작할 때 특히 가스 유출 현상을 완전히 제거하기 위한 작업이 중점적으로 이루어졌다. 가스 유출이 발생할 경우 검출기 내부의 기체의 유동에 의하여 검출기 성능이 저하되기 때문이다. 시제품은 검출기 내부의 음극판과 양극판을 지지하고 간격을 유지하는데 사용한 막대를 설치하기 위해 뼈대에 직접 구멍을 뚫었다. 이 과정에서 뼈대에 부착된 마일러에도 구멍이 생기면서 그 사이로 가스가 흘러 나갔다.

이러한 현상을 제거하기 위하여 뼈대와 조립되는 추가 지지판을 제작했다. 막대기를 뼈대를 뚫는 대신 새로운 지지판에 고정하였고 투명 마일러는 지지판과 뼈대의 뚜껑 사이에 삽입하여 훼손되는 것을 방지했다 (Fig. 2(a) 참조) 또한 신호선을 검출기 밖의 신호 처리용 보드와 직접 연결하는 대신 내부의 커넥터에 연결시키고 외부 선을 해당 커넥터에 연결할 수 있도록 뼈대의 옆면을 Fig. 2(b)와 같이 조립식으로 재설계했다.

Figure 2. (Color online) BDC frame.

제작한 pBDC의 성능을 확인하기 위해 가필드(Garfiled++)를 이용한 모의실험(simulation)과 일본 HIMAC에 방문하여 양성자 빔을 이용한 성능 시험을 진행하였다.

Garfield++는 기체 혼합물이나 반도체를 이용하는 검출기의 성능을 확인 하기 위해 개발된 모의실험 프레임워크(framework)이다[8]. 특히 BDC나 시간 투영 검출기(Time Projection Chamber)처럼 판과 선으로 구성된 검출기의 성능을 측정하는데 사용되고 있다. 모의실험은 macOS 13.2.1에서 이루어졌으며 가필드와 함께 ROOT 6.26/06을 이용하여 분석이 이루어졌다[9].

모의실험의 환경을 실제 pBDC의 작동 환경과 최대한 유사하게 설정했다. 가필드의 MediumMegaboltz 클래스를 이용하여 아르곤과 메탄이 9 대 1로 섞인 기체 혼합물을 만들었고 모의실험은 실온 293.15 K, 1 기압에서 수행되었다.

pBDC 내부 구조를 구현한 뒤 앞에서 만든 기체 혼합물을 집어 넣고 음극판과 퍼텐셜 선에 전압을 걸어준 뒤 발생하는 전기장의 분포를 확인했다. Figure 3(a)는 pBDC 내부의 걸리는 전기장 분포를 나타낸 것이다. 그리고 pBDC 안에서 전자가 발생했을 때 표류 속도를 모의실험을 통해서 Fig. 3(b)와 같이 전기장 세기의 따른 표류 속도를 구했다.

Figure 3. (Color online) Garfield++ simulation for pBDC.

실제적인 실험에서의 pBDC의 성능을 확인하기 위해 일본 치바시의 HIMAC의 가속기를 이용한 실험을 진행했다. 본 실험에는 핵자당 에너지가 100 MeV인 500 Hz의 조사율을 가지는 양성자 빔을 사용했다. 실험 후에 측정한 데이터를 이용하여 1차, 2차 전자의 시간 분포를 그렸다. 유도 전자 무리(cascade) 안의 모든 전자를 추적하는 것은 어려우므로 전자 흐름 안에서 가장 먼저 들어온 전자의 시간(T₀)과 가장 마지막에 들어온 전자의 시간(T₁) 사이의 차(ΔT)를 전자 무리 전체의 표류 시간(drift time)으로 정했다[10]. T₀는 에러 함수(Gauss error function)로 피팅해서 구했다. 그리고 BDC의 신호선과 퍼텐셜 선 사이의 거리가 2.5 mm라는 사실을 이용하여 표류 속도를 계산했다. Figure 4는 각 4개의 신호선 층에서 구한 표류속도의 실험 측정 값이다. Garfield++ 모의 실험과 양성자 빔에서 얻은 표류 속도의 결과를 Table 2에 정리하였다. Figure 5는 인가된 전압에 따른 양성자 빔 실험 결과와 Garfield++ 모의 실험 결과를 비교한 결과이다. 낮은 전압에서는 실험 결과가 모의 실험 결과 보다 다소 낮은 결과를 얻었으나 1390 V 부터는 모의 실험 결과에 가까워 짐을 알 수 있다. 이를 통해 pBDC에 인가된 전압이 1400 V 이상에서 동작 시켜야 모의 실험 결과에 가깝게 될 수 있음을 나타내고 있다. 이 결과를 향후에 실시될 실험에 적용할 예정이다.

Figure 4. (Color online) Time distribution of beam data at 1360 V (top left), 1380 V (top right), 1390 V (bottom left) and 1400 V (bottom right). Red lines represent error function fits.

Figure 5. Comparison drift velocity from between simulation(open square) and test with HIMAC beam data(filled circle).

Table 2

Drift velocity comparison from between simulation and test with HIMAC beam data.

Voltage [V]	Garfield++ [μm/nm]	HIMAC[μm/nm]
1360	26.3640	22.45
1380	26.4991	22
1390	26.5667	24.55
1400	26.6342	24.75

LAMPS 본제품 연구를 위해 본 제품 BDC의 성능을 검증하고자 시제품 BDC (pBDC)를 제작했다. pBDC에서는 특히 가스 유출을 막고 안정적인 전압을 공금할 수 있도록 제작하여 검출기의 성능과 안정성을 확인할 수 있었다. 그리고 모의실험과 HIMAC의 양성자 빔을 이용해 pBDC의 성능을 확인하였다. 둘 사이의 표류 속도를 비교했을 때 1400 V의 전압을 인가했을 때 결과가 잘 맞는 것을 확인했다. 앞으로 다른 종류의 입자와 에너지를 이용하여 실험을 진행하여 pBDC의 성능을 확인하고 개선해나갈 계획이다.

본 연구는 한국연구재단의 연구비 지원에 의해 이루어졌습니다 (NRF-2021R1A2C2012584, NRF-2022R1A5A1030700). 또한 LAMPS Collaboration과 일본 HIMAC 관계자 여러분에게 감사의 인사를 드립니다.