글
Cern의 F. Sauli가 쓴 Principle of Operation of Multiwire Proportional and
Drift Chambers 를 스터디 했습니다.
그리고 W. R. Leo의 Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments
와 G.F. Knoll - Radiation Detection and Measurement, Wiley 1989 책을
부교재로 보았습니다.
두 논문 모두 파일로 갖고 있는데, 화일 크기가 너무 커서 첨부해 드릴 수가 없습니다. 메신저로 드려야 할 것 같네요.
제가 여기서 이메일로 MWPC의 "모든 것"을 설명드리는 것은 그만한 수준의 리뷰 논문을 하나 쓰는 것이나 마찬가지기 때문에
무리가 있을 것이라고 보여지고, 우선은 위의 논문을 공부하시면서 기초를 잡아가시는 것이 좋습니다.
다만, MWPC의 전체적인 구조와 작동 원리는 설명드리도록 하겠습니다.
MWPC의 구조의 생김새는 구글에서 검색하면 대강의 모습은 나오므로 참고하시기 바라구요...
MWPC 상자, 프리앰프, 데이터 취득기, 기록장치 등으로 나누어 집니다.
MWPC 상자 내부에는 실질적으로 입자가 지나갈 때 신호를 만들어 주는 음극판과 양극 선이 있고, 그 내부는 비활성 기체로 채워집니다.
신호가 만들어지는 원리는 다음과 같습니다.
고에너지 입자가 상자 안으로 들어가게 되면 상자 안에 있는 기체들을 이온화 시키게 되는데, 이 이온화된 기체들이 음극판과
양극선 사이의 전기장 때문에 다시 합쳐지지 못하고 서로 반대 방향으로 끌려갑니다. 그리고 전기장에서 얻은 운동 에너지로 더
가속되고, 가속된 전자는 다른 기체 분자를 때려서 더 많은 전자를 만들어 냅니다. 즉, 한두개의 작은 숫자의 전자에서
시작하여서 수백만배로 신호가 증폭됩니다.
이렇게 만들어진 전자들은 양극 선으로 끌려들어가서 전류로서 흐르게 되고, 이렇게 흘러간 전류는 상자 바깥의 프리앰프에서
증폭되어 데이터 취득기로 들어가서 처리되고, 기록장치에 기록됩니다. 기록장치는 그냥 컴퓨터 정도 생각하시면 됩니다.
MWPC의 장점은, 입자가 실제로 어느 위치를 지나갔는지 알 수 있다는 점입니다. 이것을 알 수 있는 방법은, 음극판 사이에
양극 선을 평행하게 여러개 배열합니다. 그리고 그중 어느 한 곳에서 입자가 지나가게 되면, 그 근방의 양극 선에서만 신호가
발생되므로 신호가 어디서 발생했는지 알면 입자가 어디를 지나갔는지도 알 수 있게 됩니다. 2개의 MWPC를 만들어서 서로 그
양극선 방향이 직교하도록 만든다면, x,y 좌표를 찍을 수도 있습니다. 그리고 z좌표가 다르도록 하여 x,y 좌표를 2개를
찍는다면(즉, MWPC를 4개 쓰는 겁니다) 입자가 어느 방향에서 어느쪽으로 지나갔는지 정확히 알 수 있게 됩니다.
신호가 어디서 발생했는지 알아내는 방법은 여러가지가 있습니다.
첫째로, 양극선 마다 각각 데이터 취득기를 설치합니다. 이렇게 하면 가장 정확한 정보를 얻을 수 있으나, 데이터 취득기 가격이
엽기적으로 비싸져서 전체적으로 가격이 매우 올라갑니다.
둘째로, Charge division method가 있습니다. 이것은 저항을 길게 직렬로 연결하고, 그중의 어느 한 곳에
신호가 발생하였다면, 왼쪽과 오른쪽으로 가는 전하의 양이 다를 것이기 때문에 양쪽에서 측정되는 전압이 다를 것이고, 그 전압의
비율을 이용하여 길다란 저항 선 중 어느 곳에서 신호가 출발하였는지 추정하는 방법입니다.
셋째로, Time Delay method가 있습니다. 이것은 마찬가지로 저항을 길게 연결하는데, 이번엔 왼쪽과 오른쪽에서
신호가 들어온 시각을 비교합니다. 어느 곳에서 출발하였느냐에 따라 긴 거리를 이동하는데는 더 오래 걸리겠죠. 따라서 시각을
측정하여 그 차이를 비교하면 신호가 출발한 위치를 추정할 수 있습니다.
이외에도 각종 방법이 있습니다만, 제가 공부한 것은 위의 세가지이고 그중 저희는 Charge division method를 구현했습니다.
상자 안에는 기체를 채워 넣는데, 전자를 잘 잡아먹지 않는 비활성 기체를 채웁니다. 일반 공기인 산소나 질소는 전자랑 부딪치면
그 전자를 붙들고 놓아주지 않기 때문에 (전자친화도가 큼) 신호가 작아지게 되고 따라서 비활성 기체를 넣어줍니다.
여기에 추가로, 이온화가 잘 일어나도록 하는 기체를 약간 추가해 줍니다. 이산화탄소나 부탄 가스 같은 것들을 넣는데, 부탄
가스가 좀 더 성능은 좋지만 폭발 위험이 있으므로 이산화탄소가 좋습니다.
아울러, 음극판과 양극선 사이의 전압을 결정하는 것은 중요한 문제입니다. 저희는 3000V를 걸어 주었는데, 전압 영역에
따라서 이온화가 일어나는 경향이 다르고, 최초에 입사한 입자의 에너지에 따라 반응하는 정도가 달라지기 때문에 적절한 전압을
결정해야 합니다.
너무 작은 전압을 걸게 되면 이온화가 일어나지 않아서 신호가 잡히지 않겠죠. 너무 큰 전압을 걸게 되면 이온화가 계속 일어나서
연속적인 방전이 일어나므로 신호가 쓰레기 값으로 뒤덮입니다.
제작은...
MWPC 상자의 외부 상자는 약 50cm의 가로, 세로 길이와 20cm 정도의 높이를 가지는 스테인리스 스틸 상자로 했습니다.
여기에 유리창을 하나 달았습니다. 400만원 정도 들더군요. 지금은 금속 값도 오르고 물가도 올라서 더 비쌀 듯...
이 안에 넣게 되는 회로들은 모두 자체 제작하였습니다.
그리고 헬륨 가스와 이산화탄소 가스를 구입하고, 이 두 가스를 적절한 비율로 섞어서 공급하는 Mass Flow
Controller를 구입하여 연결했습니다.
가스를 넣기 전에 안에 원래 있던 공기를 모두 빼야 하므로 진공 펌프가 필요합니다.
MWPC에 공급할 3000V짜리 전압이 있어야 하므로, 고전압 파워 서플라이가 필요합니다. 이것은 자체 제작한 것을
사용하였고, 약 100만원 정도 제작비용이 들었습니다.
그리고 프리 앰프, 데이터 취득기 등이 필요합니다.
앰프나 프리앰프는 직접 만들려면 굉장히 노가다가 쎄고, 그렇다고 구입하려면 꽤 비쌉니다.
데이터 취득기는 일단은 그냥 오실로스코프로 시작했습니다.
Drift Chambers 를 스터디 했습니다.
그리고 W. R. Leo의 Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments
와 G.F. Knoll - Radiation Detection and Measurement, Wiley 1989 책을
부교재로 보았습니다.
두 논문 모두 파일로 갖고 있는데, 화일 크기가 너무 커서 첨부해 드릴 수가 없습니다. 메신저로 드려야 할 것 같네요.
제가 여기서 이메일로 MWPC의 "모든 것"을 설명드리는 것은 그만한 수준의 리뷰 논문을 하나 쓰는 것이나 마찬가지기 때문에
무리가 있을 것이라고 보여지고, 우선은 위의 논문을 공부하시면서 기초를 잡아가시는 것이 좋습니다.
다만, MWPC의 전체적인 구조와 작동 원리는 설명드리도록 하겠습니다.
MWPC의 구조의 생김새는 구글에서 검색하면 대강의 모습은 나오므로 참고하시기 바라구요...
MWPC 상자, 프리앰프, 데이터 취득기, 기록장치 등으로 나누어 집니다.
MWPC 상자 내부에는 실질적으로 입자가 지나갈 때 신호를 만들어 주는 음극판과 양극 선이 있고, 그 내부는 비활성 기체로 채워집니다.
신호가 만들어지는 원리는 다음과 같습니다.
고에너지 입자가 상자 안으로 들어가게 되면 상자 안에 있는 기체들을 이온화 시키게 되는데, 이 이온화된 기체들이 음극판과
양극선 사이의 전기장 때문에 다시 합쳐지지 못하고 서로 반대 방향으로 끌려갑니다. 그리고 전기장에서 얻은 운동 에너지로 더
가속되고, 가속된 전자는 다른 기체 분자를 때려서 더 많은 전자를 만들어 냅니다. 즉, 한두개의 작은 숫자의 전자에서
시작하여서 수백만배로 신호가 증폭됩니다.
이렇게 만들어진 전자들은 양극 선으로 끌려들어가서 전류로서 흐르게 되고, 이렇게 흘러간 전류는 상자 바깥의 프리앰프에서
증폭되어 데이터 취득기로 들어가서 처리되고, 기록장치에 기록됩니다. 기록장치는 그냥 컴퓨터 정도 생각하시면 됩니다.
MWPC의 장점은, 입자가 실제로 어느 위치를 지나갔는지 알 수 있다는 점입니다. 이것을 알 수 있는 방법은, 음극판 사이에
양극 선을 평행하게 여러개 배열합니다. 그리고 그중 어느 한 곳에서 입자가 지나가게 되면, 그 근방의 양극 선에서만 신호가
발생되므로 신호가 어디서 발생했는지 알면 입자가 어디를 지나갔는지도 알 수 있게 됩니다. 2개의 MWPC를 만들어서 서로 그
양극선 방향이 직교하도록 만든다면, x,y 좌표를 찍을 수도 있습니다. 그리고 z좌표가 다르도록 하여 x,y 좌표를 2개를
찍는다면(즉, MWPC를 4개 쓰는 겁니다) 입자가 어느 방향에서 어느쪽으로 지나갔는지 정확히 알 수 있게 됩니다.
신호가 어디서 발생했는지 알아내는 방법은 여러가지가 있습니다.
첫째로, 양극선 마다 각각 데이터 취득기를 설치합니다. 이렇게 하면 가장 정확한 정보를 얻을 수 있으나, 데이터 취득기 가격이
엽기적으로 비싸져서 전체적으로 가격이 매우 올라갑니다.
둘째로, Charge division method가 있습니다. 이것은 저항을 길게 직렬로 연결하고, 그중의 어느 한 곳에
신호가 발생하였다면, 왼쪽과 오른쪽으로 가는 전하의 양이 다를 것이기 때문에 양쪽에서 측정되는 전압이 다를 것이고, 그 전압의
비율을 이용하여 길다란 저항 선 중 어느 곳에서 신호가 출발하였는지 추정하는 방법입니다.
셋째로, Time Delay method가 있습니다. 이것은 마찬가지로 저항을 길게 연결하는데, 이번엔 왼쪽과 오른쪽에서
신호가 들어온 시각을 비교합니다. 어느 곳에서 출발하였느냐에 따라 긴 거리를 이동하는데는 더 오래 걸리겠죠. 따라서 시각을
측정하여 그 차이를 비교하면 신호가 출발한 위치를 추정할 수 있습니다.
이외에도 각종 방법이 있습니다만, 제가 공부한 것은 위의 세가지이고 그중 저희는 Charge division method를 구현했습니다.
상자 안에는 기체를 채워 넣는데, 전자를 잘 잡아먹지 않는 비활성 기체를 채웁니다. 일반 공기인 산소나 질소는 전자랑 부딪치면
그 전자를 붙들고 놓아주지 않기 때문에 (전자친화도가 큼) 신호가 작아지게 되고 따라서 비활성 기체를 넣어줍니다.
여기에 추가로, 이온화가 잘 일어나도록 하는 기체를 약간 추가해 줍니다. 이산화탄소나 부탄 가스 같은 것들을 넣는데, 부탄
가스가 좀 더 성능은 좋지만 폭발 위험이 있으므로 이산화탄소가 좋습니다.
아울러, 음극판과 양극선 사이의 전압을 결정하는 것은 중요한 문제입니다. 저희는 3000V를 걸어 주었는데, 전압 영역에
따라서 이온화가 일어나는 경향이 다르고, 최초에 입사한 입자의 에너지에 따라 반응하는 정도가 달라지기 때문에 적절한 전압을
결정해야 합니다.
너무 작은 전압을 걸게 되면 이온화가 일어나지 않아서 신호가 잡히지 않겠죠. 너무 큰 전압을 걸게 되면 이온화가 계속 일어나서
연속적인 방전이 일어나므로 신호가 쓰레기 값으로 뒤덮입니다.
제작은...
MWPC 상자의 외부 상자는 약 50cm의 가로, 세로 길이와 20cm 정도의 높이를 가지는 스테인리스 스틸 상자로 했습니다.
여기에 유리창을 하나 달았습니다. 400만원 정도 들더군요. 지금은 금속 값도 오르고 물가도 올라서 더 비쌀 듯...
이 안에 넣게 되는 회로들은 모두 자체 제작하였습니다.
그리고 헬륨 가스와 이산화탄소 가스를 구입하고, 이 두 가스를 적절한 비율로 섞어서 공급하는 Mass Flow
Controller를 구입하여 연결했습니다.
가스를 넣기 전에 안에 원래 있던 공기를 모두 빼야 하므로 진공 펌프가 필요합니다.
MWPC에 공급할 3000V짜리 전압이 있어야 하므로, 고전압 파워 서플라이가 필요합니다. 이것은 자체 제작한 것을
사용하였고, 약 100만원 정도 제작비용이 들었습니다.
그리고 프리 앰프, 데이터 취득기 등이 필요합니다.
앰프나 프리앰프는 직접 만들려면 굉장히 노가다가 쎄고, 그렇다고 구입하려면 꽤 비쌉니다.
데이터 취득기는 일단은 그냥 오실로스코프로 시작했습니다.
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