아날로그 픽셀 센서(APTS, Analogue Pixel Test Structure)의 특성 측정 및 241Am을 이용한 ALICE 픽셀 검출기(ALPIDE, ALICE Pixel Detector)의 클러스터 크기 연구 = Measurement of APTS(Analogue Pixel Test Structure) characteristics and study on cluster size of ALPIDE(ALICE Pixel Detector) using 241Am

국문 초록 (Abstract)

ALICE 검출기의 내부궤적장치-3(ITS, Inner Tracking System)의 업그레이드 계획의 일환으로 단일활성픽셀센서(MAPS, Monolithic Active Pixel Sensor) 기술을 검증하였다. 유럽핵입자물리연구소(CERN)에서는 MAPS 기술의 아날로그 특성을 연구하기 위해 아날로그 픽셀 센서(APTS, Analogue Pixel Test Structure)를 개발하였다. APTS 센서는 연구 개발을 위해 세계 각지로 배분되었으며, 부산대학교에서는 각 연구기관에 배분된 APTS 센서의 아날로그 특성 데이터를 수집하여 비교 검증하였다. 그리고 APTS 센서를 작동하기 위한 회로 기판들을 교체하며 실험 세팅간의 균일성을 측정하였다.
게다가, ALPIDE(ALICE Pixel Detector)는 대형강입자충돌기(LHC)의 LS2 기간 동안 설치되어 현재 양성자-양성자 및 납-납 충돌에서 운영되고 있는 ALICE ITS를 구성하는 MAPS 기술이 적용된 디지털 픽셀 실리콘 센서이다. ALPIDE 센서에서는 입사하는 전하입자에 의해 발생하는 에너지 손실로 인해 전자-정공쌍이 생성되고, 이때 생성된 전자는 픽셀 다이오드에 의해 수집된다. 클러스터 크기란, 각 입사하는 전하입자에 의해 발화된 픽셀의 개수를 의미하며, 이는 전하가 얼마나 넓게 퍼져 있는지와 문턱값을 넘는 전하를 기록한 픽셀의 개수를 나타낸다. 따라서 클러스터 크기 분포는 입사하는 전하입자의 궤적과 에너지 손실에 대한 정보를 제공한다. 본 논문에서는 241Am 방사성 동위원소를 이용하여 ALPIDE 센서에서 발생하는 클러스터 크기 분포를 연구하였다. 콜리메이터의 넓이와 길이가 다양한 경우의 클러스터 크기 분포를 비교함으로써, 클러스터 크기 분포를 정량적으로 설명하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1 장 도입 1
• 1.1 거대 강입자 충돌기와 거대 이온 충돌기 실험 1
• 1.2 내부궤적장치 3
• 제2 장 아날로그 픽셀 센서의 특성 연구 7
• 2.1 아날로그 픽셀 센서 7
• 2.2 실험 셋업 및 사전 측정 11
• 2.2.1 실험 셋업 11
• 2.2.2 저항 측정 14
• 2.2.3 APTS 센서의 전원 공급 및 펄스 테스트 14
• 2.3 APTS 센서의 특성 측정 19
• 2.3.1 55Fe 방사선원 - X 선 19
• 2.3.2 APTS 센서의 특성 측정 방법 19
• 2.3.3 칼리브레이션 21
• 2.3.4 단일 APTS 분석 22
• 2.3.5 역전압에 따른 APTS 센서의 특성 변화 29
• 2.4 APTS 간 균일성 확인 33
• 2.4.1 연구소 간 균일성 확인 33
• 2.4.2 프록시미티 보드 간 균일성 확인 38
• 2.4.3 캐리어 보드 간 균일성 확인 42
• 2.4.4 APTS 센서의 균일성 확인 요약 46
• 2.5 결론 및 전망 47
• 제3 장 ALPIDE 센서의 클러스터 크기 분포 연구 49
• 3.1 배경 설명 49
• 3.1.1 ALPIDE 49
• 3.1.2 선행 연구 50
• 3.1.3 241Am 방사선원 - 알파 입자 52
• 3.2 실험 목적 57
• 3.3 실험 셋업 57
• 3.4 실험 방법 60
• 3.5 ALPIDE 사전 테스트 62
• 3.5.1 문턱값 측정 62
• 3.5.2 페데스탈 64
• 3.6 분석 및 결과 65
• 3.6.1 클러스터 재구축 65
• 3.6.2 클러스터 중심 찾기 67
• 3.6.3 클러스터맵상의 영역에 따른 클러스터 크기 분포 72
• 3.7 GEANT4 시뮬레이션 81
• 3.7.1 알파 시뮬레이션 81
• 3.7.2 감마 시뮬레이션 92
• 3.8 실험과 GEANT4 시뮬레이션 결과 비교 94
• 3.9 ITS-2 결과 비교 109
• 3.10 결과 요약 및 향후 연구 111
• 제A장 문턱값과 페데스탈 결함 114
• 제B장 콜리메이터 넓이 측정 119
• 제C장 실험에서 얻은 히트맵과 클러스터맵 및 클러스터 모양 122
• C.1 히트맵 122
• C.2 클러스터맵 130
• 부록 114
• 참고 문헌 168
• Abstract 173