Development of an Active Target Time Projection Chamber for Alpha Cluster Search

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The TPC-Drum detector was developed as an active-target time projection chamber for future low-energy LAMPS experiments at RAON. This thesis presents the detector design, signal-processing procedure, pad-gain calibration, and three-dimensional track- reconstruction study using radioactive source measurements. A 55Fe X-ray source was used to establish the waveform-processing procedure and to evaluate the pad-to-pad response variation of the readout plane. Fixed-pattern-noise subtraction, residual background subtraction, and relative gain correction were applied to obtain stable charge information for reconstruction. An 241Am alpha source was then used to evaluate the tracking performance of the detector under controlled source- test conditions. The reconstructed alpha particle tracks were used to study the source-position consistency, visible track length, transverse charge spread, and a charge-based 𝑑𝐸/𝑑𝑥 estimator. The source-position distribution was centered near the nominal source location, and the reconstructed track length was consistent with the geometrical scale of the active pad region. The transverse charge spread increased with drift length, as expected from electron diffusion during drift. A charge-based 𝑑𝐸/𝑑𝑥 estimator was constructed using the gain-corrected charge and reconstructed local track length, with the global response scale adjusted using Geant4-based simulation. These results demonstrate that the TPC-Drum detector can provide three-dimensional tracking and charge-based detector-response observables for alpha particle tracks. Force-coming detector configurations, including a downstream silicon detector array and a voltage-dropper structure in the beam-line region, are also discussed as extensions toward beam experiments and charged-particle identification.

국문 초록 (Abstract)

TPC-Drum 검출기는 RAON에서 수행될 미래 저에너지 LAMPS 실험을 위한 능동 표적 시간 투영 챔버（AT-TPC）로 개발되었다. 본 논문에서는 TPC-Drum 검출기의 구조 설계, 신호 처리 절차, 패드 이득 보정, 그리고 방사성 선원을 이용한 삼차원 트랙 재구성 연구를 제시하였다. 먼저 55Fe X-선 선원을 이용하여 파형 처리 절차를 확립하고, 판독 패드면의 패드별 응답 차이를 평가하였다. 안정적인 전하 정보를 얻기 위해 고정 패턴 잡음 보정, 잔류 배경 잡음 보정, 그리고 상대 이득 보정을 적용하였다. 이후 241Am 알파 선원을 이용하여 제어된 선원 시험 조건에서 검출기의 트랙 재구성 성능을 평가하였다. 재구성된 알파 입자 트랙을 이용하여 선원 위치와의 일관성, 관측 트랙 길이, 횡방향 전하 퍼짐, 그리고 전하 기반 𝑑𝐸/𝑑𝑥 추정량을 분석하였다. 재구성된 선원 위치 분포는 공칭 선원 위치 부근에 중심을 이루었으며, 재구성된 트랙 길이는 유효 패드 영역의 기하학적 크기와 일관된 결과를 보였다. 또한 횡방향 전하 퍼짐은 전자의 드리프트 거리가 증가함에 따라 커지는 경향을 보였으며, 이는 드리프트 과정에서의 전자 확산과 부합한다. 전하 기반 𝑑𝐸/𝑑𝑥 추정량은 이득 보정된 전하량과 재구성된 국소 트랙 길이를 이용하여 구성하였으며, 전체 검출기 응답 스케일은 Geant4 기반 시뮬레이션과의 비교를 통해 조정하였다. 이러한 결과는 TPC-Drum 검출기가 알파 입자 트랙에 대해 삼차원 트랙 재구성과 전하 기반 검출기 응답 정보를 제공할 수 있음을 보여준다. 또한 향후 빔 실험과 하전입자 식별을 위한 확장 구성으로서 하류 방향 실리콘 검출기 배열과 빔라인 영역의 전압 강하 구조를 함께 논의하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Alpha Cluster State 2
• 1.2 TPC 5
• 1.2.1 GEM 7
• 1.2.2 dE/dx 9
• 1.2.3 AT-TPC 11
• 2 Detector design and Setup 12
• 3 Chamber geometry 18
• 3.1 Pad Geometry 18
• 3.2 Triple-GEM structure 19
• 3.3 Field Cage 21
• 4 GET System 25
• 5 Signal Processing and Detector Calibration 28
• 5.1 55Fe Source Setup 28
• 5.2 Noise Subtraction 29
• 5.3 Pad Gain Calibration 31
• 6 Alpha Source test 32
• 7 Track Reconstruction 35
• 7.1 Track Reconstruction 38
• 7.2 Transverse Diffusion 39
• 7.3 Charge-based dE/dx Estimation 42
• 8 Future Detector Configuration 46
• 8.1 Silicon Detector Array for Residual Energy Measurement 46
• 8.2 Voltage-Dropper Structure in Beam-line Region 48
• 8.3 Outlook for RAON Beam Experiment 51
• 9 Summary 53
• References 56