- 77 -

5. 이온화검출기

이온화 검출기(ionization detector)는 전자장비를 이용한 첫 번째 검출기이다. 입사된

방사선이 기체를 전리시켜 생성한 전자와 이온의 수집을 이용하는 이온화검출기로는 초기의

가이거-뮐러 계수기(Geiger-Müller counter), 비례계수기(proportional counter), 이온화검

출기(ionization chamber)를 비롯하여 다중선비례검출기(multi-wire proportional

chamber), 표류검출기(drift chamber), 시간투영검출기(time projection chamber) 등이 있

다.

5.1 기체 이온화검출기

그림 5.1은 기체 이온화 검출기의 간단한 모형을 보여준다. 예를 들어, 도체 원통벽과

그 중심에 놓여있는 매우 얇은 도선, 그리고 기체를 가두어 두기 위한 원통벽 양끝의 비전

도성 마개를 생각해 보자. 이 검출기 내부는 아르곤과 같은 불활성 기체로 채워져 있다. 만

약 원통 중심의 양극선에 의 고전압(HV)을 걸어주면 양극선 주변에는 반지름 바깥방

향으로

ln

(5.1)

의 전기장이 형성된다. 여기서 은 원통축으로부터 시작되는 반지름변수이고, 는 원통의

내부 반지름, 는 양극선의 반지름이다. 이제 입자가 검출기를 통과한다면 여러 개의 전자-

이온쌍이 만들어질 것이다 (전자-이온쌍의 개수는 입사입자가 검출기 내에서 잃어버리는

에너지에 의존함). 이때 전기장의 영향으로 전자들은 양극선을 향해 가속되고 양이온들은

원통벽을 향해 가속된다. 그리고 양극선으로부터 측정되는 전류신호는 전기장의 세기, 즉

값에 의존한다.

+HV

신호

양극선 음극원통비전도성 마개

그림 5.1 이온화검출기의 간단한 모형.

- 78 -

가 0이면 전자-이온쌍은 스스로의 전하에 의해 다시 합쳐지고 아무런 전류신호도 주

지 못한다. 이제 를 서서히 증가시키면 전자와 이온은 전기장의 도움을 받아 재결합하지

않고 각각 양극선과 음극원통으로 이동한다. 이때 수집되는 전자 및 이온의 수는 처음에

값에 따라 증가하다가 이온화된 모든 전자와 이온이 양극선과 음극원통에 도달하는 점

(이온화영역)에 이르게 된다. 이 전압 영역에서 작동하는 검출기를 이온화검출기라고 부른

다. 이온화검출기의 신호는 입사입자에 의해 직접 만들어진 전자-이온쌍을 이용하므로 매우

작다.

이온화영역을 지나 를 계속 증가시키면 전기장이 충분히 강해져 자유전자가 다른 기

체원자를 이온화하며 (이렇게 만들어진 자유전자를 이차전자(secondary electron)라고 부

름) 이차전자는 다시 다른 기체원자를 이온화한다. 이러한 과정이 계속 반복되어 이온화사

태(ionization avalanche 또는 cascade)가 일어난다. 그리고 식 (5.1)에 의하면 전기장의 크

기는 에 반비례하므로 이온화사태는 양극선 근처에서 매우 빠르게 일어남을 알 수 있다.

결국 전류신호의 증폭요소는 에 비례하며 약 106까지도 가능하므로 이온화영역보다 훨씬

큰 전류신호를 얻게 된다. 이 전압영역을 비례영역이라 부르고 이 영역에서 작동하는 검출

기를 비례검출기라 부른다.

비례영역을 지나 를 계속 증가시키면 증폭을 통하여 만들어진 이온화 수가 충분히 커

져서 공간전하(space charge)가 양극선 근처의 전기장을 왜곡시키고 결국 비례성이 상실된

다. 그리고 이보다 높은 에서는 기체방전(gas discharge)이 일어난다. 기체방전이란 비례

검출기와 같이 양극선 위의 어떤 한 점에서 하나의 국소적인 이온화사태가 발생하는 것이

아니라 연쇄반응에 의해 양극선을 따라 많은 이온화사태가 동시에 일어나는 것이다. 이와

같은 기체방전은 떠돌아다니는 기체원자(또는 분자들이) 낮은 에너지 상태로 전이하며 방출

하는 광자에 의해 일어난다. 따라서 전류신호는 완전히 포화되어 입사입자의 에너지에 관계

없이 모든 출력신호가 똑같은 진폭을 준다. 이 전압영역에서 작동하는 검출기를 가이거-뮐

러 계수기(Geiger-Müller counter)라 부른다. 가이거-뮐러영역에서 종종 기체방전을 막기

위하여 광자를 흡수하는 억제기체(quenching gas)를 혼합해 주는데, 이 억제기체에 의해

출력진폭이 일정한 전압영역(plateau)의 크기가 정해진다.

5.2 전자 및 이온의 수송현상

전기장이 없다면 이온화과정에 의해 자유로워진 전자와 이온은 균일하게 바깥쪽으로 퍼

져나가며 기체원자(또는 분자)와 충돌하여 에너지를 잃어버리고 기체와 열적인 평형상태에

이른다. 이때 맥스웰(Maxwell) 분포를 따르는 하전입자의 평균속도는

(5.2)

이다. 이때 는 볼츠만(Boltzmann) 상수, 는 온도, 은 입자의 질량이다. 전자의 질량은

이온의 질량보다 훨씬 작으므로 속도가 더 크다는 것을 알 수 있다. 상온에서 전자의 속도

- 79 -

는 약 106 cm/s이고 양이온은 약 104 cm/s 정도이다. 또한 운동이론(kinetic theory)으로

부터 시간 가 지난 후 하전입자의 위치분포는

exp (5.3)

와 같이 가우스분포를 이루게 된다. 이때 는 총 하전입자의 수이고 는 이온화위치로부

터의 거리, 는 확산계수(diffusion coefficient)이다. 그리고 확산도(diffusion constant)라

불리는 의 제곱평균제곱근은

(5.4)

이고 이 식을 삼차원으로 확대하면

(5.5)

가 된다. 그리고 운동이론으로부터 확산계수 는 온도가 , 압력이 일 때

(5.6)

이며 이때 는 전자(또는 이온)와 기체분자(또는 원자) 충돌에 대한 총 산란단면적이다.

이제 전기장이 가해진다면 전자와 이온은 전기장선을 따라 가속되며 이동 중에 기체분자

와 충돌하게 된다. 이와 같은 충돌까지 고려한 전자와 이온의 이동속도를 유동속도(drift

velocity) 라고 부른다. 운동이론에서 유동속도 는 이동도(mobility) 와 전기장의 곱으로

쓸 수 있다.

(5.7)

또한 양이온의 유동속도는 상당히 높은 전기장까지 환산전기장(reduced electric field)

에 선형적으로 의존하는 것으로 알려져 있다. 이는 압력이 일정할 때 이동도가 상수임

을 말해준다.

이동하는 하전입자가 계속 열적인 평형상태에 남아있는 이상기체에 대하여 확산계수와

이동도는 다음 식으로 관련되어져 있다 (아인쉬타인 관계).

(5.8)

이때 만약 하전입자의 평균에너지가 열에너지보다 크다면 (주로 전자의 경우에 해당) 식

- 80 -

(5.8)의 를 평균에너지로 대체해 주어야 하고 이는 더욱 큰 확산계수, 그리고 식 (5.5)에

의해 더욱 큰 퍼짐으로 나타날 것이다. 이는 표류검출기의 위치 측정에 중요한 역할을 하게

됨을 의미한다.

5.3 이온화사태에 의한 증폭

전자와 이온의 이동성 차이 때문에 이온화사태에 의한 전하분포 모양은 물방울 형태가

되며 이때 전자는 물방울의 머리 근처에 몰려있고 이온은 꼬리 근처에 몰려있게 된다. 만약

가 두 번째 이온화 충돌을 위한 전자의 평균자유행로라고 두면 는 단위길이 당 이

온화 확률이 될 것이다. 이때 를 1차 타운센드계수(Townsend coefficient)라고 부른다.

이 전자들이 경로 를 이동해 가며 만드는 이차전자의 수는 이고, 이를 적분하

면 위치 에서 총 자유전자의 수는

exp (5.9)

이 된다. 이때 는 입사입자에 의해 처음 생성된 자유전자의 수이다. 그러면 증폭요소

(multiplication factor) 또는 기체이득인자(gas gain)는

exp (5.10)

이고 식 (5.1)과 같이 균일하지 않은 전기장 내에서는

exp

(5.11)

와 같이 일반화시킬 수 있다. 식 (5.11)의 증폭요소는 원리적으로 무한대까지 가능하나 실

제로는 108 이하, 즉 영역에서만 이온화 사태가 가능하고 그 이상에서는 방전이

일어난다. 이 조건을 래더한계(Raether limit)라고 부른다.

증폭요소는 비례검출기 제작에 매우 중요하다. 따라서 다양한 기체에 대한 α를 계산하기

위하여 여러 가지 모델이 제안되었으며 그 중 하나가 바로 Rose와 Korff에 의해 제안된 다

음의 식이다 [1,2].

exp

(5.12)

이때 와 는 기체의 종류에 따르는 상수이다.

- 81 -

5.4 원통형 비례검출기

앞으로 다루게 될 더욱 복잡한 입자검출기의 이해를 돕기 위하여 가장 간단한 비례검출

기인 그림 5.1을 자세히 공부할 필요가 있다. 중요한 점은 이온화검출기의 출력신호가 하전

입자의 직접수집에 의한 것이 아니라 양극 및 음극으로 이동해 가는 전자 또는 이온에 의한

유도(induction)라는 것이다. 그림 5.1의 원통형 비례검출기 내에 형성되는 전기장의 크기와

전기퍼텐셜은 각각

(5.13)

ln (5.14)

와 같다. 이때 은 기체의 유전상수이고 원통축전기에 대한 단위길이 당 축전용량

(capacitance)은

ln

(5.15)

로 주어진다. 이제 전하 인 하전입자가 원통중심의 양극선으로부터 거리 만큼 떨어진 곳

에 놓여있다고 가정해 보자. 이 입자의 퍼텐셜에너지는 이다. 이 입자가 거리 을 이

동해 가면 퍼텐셜에너지의 변화는

(5.16)

이다. 한편 원통의 길이를 이라 가정하면 이 원통축전기에 저장된 정전에너지

(electrostatic energy)는 이므로 가 성립한다 (이때 전하의 이동

이 매우 빨라서 외부 전압공급기에 의한 는 언제나 일정하다고 가정하였다). 만약 이 계

가 고립되어져 있고 에너지가 보존된다면 전압변화는 결국

(5.17)

과 같다. 결국 식 (5.17)의 전압변화는 전극에 전하를 유도하게 된다. 이제 그림 5.1의 비례

검출기에서 이온화가 양극선으로부터 ′ 떨어진 지점(원통의 중심으로부터는 ′)에서

일어났다고 가정하면 전자에 의한 유도전압은

′

ln ′

(5.18)

- 82 -

이고 이온에 의한 유도전압은

′

ln ′ (5.19)

임을 알 수 있다. 결국 총 유도전압은

ln

(5.20)

이다. 여기서 값이 음이 되기 위해서는 양극선에 유도되는 전하가 음이고 출력신호도 음

의 극성을 가지고 있음을 말해 준다. 또한 와 의 비는

ln ′

ln ′

(5.21)

이 된다. 그림 5.2는 양극선의 반지름을 10 μm, 원통의 반지름을 1 mm로 가정하였을 때

를 의 함수로 나타낸 것이다. 물론 이 커지면 가 1 보다 커지나, 대부분

의 증폭이 양극선 근처(이 의 몇 배 이하인 영역)에서 일어남을 고려하면 전자가 유도하

는 전압보다는 이온이 유도하는 전압이 훨씬 크다는 사실을 이해할 수 있을 것이다.

그림 5.2 양극선의 반지름을 10 μm, 원통의 반

지름을 1 mm로 가정하였을 때 의 함수로 나

타낸 . 파선은 양극선의 반지름을 나타

낸다.

- 83 -

지금까지의 간단한 이론을 이용하여 계속해서 펄스의 시간의존성을 살펴보자. 식 (5.7)

의 유동속도에 대한 정의와 식 (5.13)을 이용하면

(5.22)

(5.23)

을 얻는다. 이온화사태 때문에 대부분의 전자 및 이온이 양극선 근처에서 만들어지므로

라 가정하고 식 (5.23)의 양변을 적분하면

(5.24)

이 된다. 한편 식 (5.18)과 (5.19)로부터

ln

ln

ln (5.25)

가 성립하므로 식 (5.24)를 이 식에 대입하면 라 할 때

ln

ln

(5.26)

을 얻을 수 있는데 이 식은 시간이 흐름에 따라 출력신호의 크기가 무한정 증가함을 말해주

고 있다. 따라서 실제 실험에서는 RC회로를 이용하여 의 변형신호(differentiated

signal)를 주로 이용하고 있다. 그림 5.3은 RC회로의 여러 가지 시간상수 에 대한 펄스의

모양을 보여주고 있다. 실험에서는 이러한 방법으로 출력펄스 중 크기가 가파르게 증가하는

처음부분을 주로 이용함을 알 수 있다.

이제 비례검출기에 사용하는 기체에 대하여 간단하게 알아보기로 하자. 기체 선택의 조

건은 낮은 작동전압, 높은 이득율(또는 증폭요소), 좋은 비례성, 높은 입사입자율 하에서의

작동 가능성 등 매우 다양하다. 일반적으로 이러한 조건들은 여러 종류의 기체를 섞은 혼합

기체를 이용함으로써 만족시킬 수 있다. 우선 낮은 작동전압에서 이온화사태를 일으키기 위

하여 아르곤과 같은 불활성기체를 사용한다. 그러나 높은 들뜸에너지 때문에 순수한 아르곤

기체만으로는 계속적인 기체방전없이 103 ~ 104 이상의 증폭요소를 얻을 수 없다. 이 문제

를 해결하기 위하여 메탄(CH4)이나 이소부탄(iC4H10)과 같은 다원자분자 또는 CO2, BF3와

같은 기체를 섞어 준다. 이 기체분자들은 아르곤으로부터 방출되는 광자를 흡수하여 방전억

제제(quencher)로서의 역할을 하며 더욱 높은 전압에서 이온화사태가 발생하고 결국 더 높

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은 증폭요소(~106까지)를 얻을 수 있도록 도와준다. 일반적으로 많이 사용하는 90% 아르곤

과 10% 메탄의 혼합기체는 P10 기체로 널리 알려져 있다. 계속해서 비례검출기의 증폭요

소를 더욱 증가시키기 위해 음전성(electronegative) 기체인 프레온(C2H2F4) 을 추가하기도

한다. 이들은 광자뿐만 아니라 음극판에서 방출된 전자도 흡수하여 증폭요소를 107까지 증

가시킨다.

혼합기체 결정시 중요한 고려사항 중 하나는 유기분자로 구성된 방전억제제를 사용할 경

우 많은 입자가 검출기에 입사한 후에 분리되었던 유기분자가 재결합할 때 고체 또는 액체

고분자를 형성하여 음극판이나 양극선에 달라붙게 된다는 것이다. 이 고분자들은 기체방전

을 일으켜 결국 검출기의 작동을 멈추게 한다. 그러므로 주로 무기분자 방전억제제가 선호

되나 이들의 증폭요소는 유기분자보다 훨씬 작은 단점이 있다. 이 문제를 해결하기위하여

유기분자 기체에 메틸알(CH3OCH2OCH3) 등의 기체를 소량 추가해 주는 방법이 있다. 이들

은 이온교환과정을 통하여 음극판 근처의 분자가 고분자물질 형성에 이용되는 것을 방지한

다. 마지막으로 전자와 이온이 기체검출기 내에 축적되어 작동특성이 변질되는 것을 방지하

기 위하여 대부분의 높은 입사입자율 실험에서는 기체를 가두어 두지 않고 계속 흘려보내게

된다.

그림 5.3 여러 가지 RC 시간상수에 대한 의 변형신

호.

5.5 다중선비례검출기

핵 및 입자물리학 실험에서 가장 중요한 요구조건 중의 하나는 입자의 궤적을 정확하게

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추적하는 것이다. 1960년대 후반까지 대부분의 궤도추적장치는 사진검판기(photographic

emulsion), 구름상자(cloud chamber), 거품상자(bubble chamber), 방전상자(spark

counter) 등과 같이 광학적인 원리를 이용하는 것이었다. 이 방법은 많은 충돌사건을 취급

해야하는 경우에 사용 불가능하였고 궤도의 정확한 추적에도 많은 문제가 있었으므로 전자

식 검출기가 절실하게 요구되었다. 여기서 전자식 검출기란 직접 눈으로 입자궤적을 확인하

는 것이 아니라 검출기신호를 전자장비로 인식하는 것이다. 가장 간단한 전자식 검출기로는

여러 개의 비례검출기를 붙여놓는 것이었으나 현실적으로 많은 문제가 있었다. 1968년 드

디어 죠르쥬 샤르팍(Georges Charpak)이 다중선비례검출기(MWPC)를 개발하였다. 샤르팍

은 같은 검출기 내에서 촘촘히 배열된 여러 개의 선들이 각각 독립된 비례검출기로 작동할

수 있음을 최초로 보여주었다.

그림 5.4 죠르쥬 샤르팍 (프랑스,

1924-, 폴란드 출생, 1992년 다중선

비례검출기 개발의 공로를 인정받아

노벨물리학상 수상).

MWPC의 기본적인 구조는 두 개의 음극판 사이에 등간격으로 배열된 양극선들로 이루

어져 있다. 전형적인 MWPC에서 양극선 사이의 간격은 2 mm, 양극선과 음극판 사이의 거

리는 7 ~ 8 mm 정도이다. 만약 음극판에 양극선보다 상대적으로 낮은 전기퍼텐셜이 가해

지면 검출기 내부에 그림 5.5와 같은 전기장이 형성된다. 이때 양극선 근처만 제외하면 거

의 평행한 전기장선이 형성됨을 알 수 있다. 만약 반지름을 무시할 수 있는 양극선이 무한

개 배열되어 있다면 검출기 내의 전기퍼텐셜은 다음과 같이 표현할 수 있다.

ln sin sinh

(5.27)

여기서 는 가해진 전압, 는 양극선 사이의 거리이며 양극선-음극판 사이의 축전용량은

ln

(5.28)

으로 주어진다. 이때 은 양극선과 음극판 사이의 거리, 는 양극선의 지름이다. 이를 통하

여 결국 양극선 근처에서는 전기장의 크기가 의존성을 가지고 하나의 원통형 비례검출

기와 똑같이 작동함을 알 수 있다. 이제 입사입자에 의해 전자-이온쌍이 전기장이 상수인

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영역에서 생성되었다면 전자들은 전기장선을 따라 양극선 근처까지 표류한 후 재빨리 가속

되어 이온화사태를 일으키게 된다. 그리고 음극판까지 표류하는 이온들은 (원통형 비례검출

기와 같이) 양극선에 음의 전하를 유도하게 된다. 이들은 계속해서 이웃하는 양극선들과 음

극판에 작은 양의 전하를 유도한다.

그림 5.5 양극선 사이의 간격이 2 mm일 때 GARFIELD 프로그램으로 계산한

MWPC 내의 전기장선 [3].

MWPC 출력신호를 처리하는 방법은 매우 다양하나 가장 보편적인 방법은 각각의 선을

독립적인 검출기로 간주하여 독립적인 전자장치를 연결하는 것이다. 이들 출력신호는 대부

분 증폭기(amplifier), 판별기(discriminator), 모양기(shaper) 등을 거쳐 표준 논리(logic)신

호로 전환된다. 또한 받아들일만한 신호인지 원하지 않는 신호인지를 구분해 주는 게이트

(gate)가 트리거를 통하여 만들어진 후 적절한 지연을 통하여 가해진다. 게이트를 통과하는

신호는 저장장치에 기록되고 게이트를 통과하지 못하는 신호는 버려진다.

하나의 MWPC는 물론 하나의 좌표(그림 5.5의 x 좌표)만 제공해 준다. 만약 이차원 좌

표 가 필요하다면 두 번째 MWPC를 첫 번째 MWPC와 수직으로 배열하면 될 것이다.

그리고 입자의 궤도추적에 사용하기 위해서는 이러한 이차원 MWPC를 여러 겹 배열하면

될 것이다. MWPC의 위치분해능은 양극선 사이의 간격에 의존한다 (∼).

MWPC의 위치정보를 보완하기 위하여 음극판에 유도된 신호를 이용한 무게중심법

(center-of-gravity)이 많이 이용되고 있다. 만약 음극판이 여러 개의 띠(strip)로 이루어져

있다면 이온화사태가 일어난 지점으로부터 가장 가까운 띠에 가장 큰 전하가 유도되고 거리

가 멀어질수록 유도전하의 크기는 줄어들 것이다. 예를 들어 음극띠가 양극선에 대해 수직

하게 배열되어 있으며 좌표가 인 번째 띠에서 의 전하가 유도되었다고 가정하면 무게

- 87 -

중심법에 의한 이온화사태 발생지점은 다음과 같다.

(5.29)

이때 는 잡신호의 분산효과(dispersive effect) 때문에 생기는 작은 수정인자이다 [4]. 이

러한 방법으로 하나의 MWPC를 이용하여 이차원 정보를 얻는 것도 가능하다.

한편 양극선의 양끝에서 신호를 읽으면 전하분할법(charge division)도 적용할 수 있다.

전하분할법은 유한한 저항을 가진 도선의 양끝에서 수집된 전하의 크기는 전하가 투입된 위

치로부터의 길이에 따라 줄어든다는 사실을 이용한다. 즉 그림 5.6과 같이 길이가 인 도

선의 양끝에서 각각 , 의 전하가 유도되었다면 이온화사태가 일어난 위치 는 다음과

같이 구할 수 있다.

(5.30)

Qa Qb

z

L

이온화사태 발생지점

그림 5.6 MWPC 양극선에 대한 전하분할법.

지금까지 하나의 입자에 대해 하나의 양극선만 전하를 유도한다고 가정하였다 (식

(5.28) 아래에서 설명한 이차 양전하유도 제외). 그러나 특히 입자가 양극선으로 이루어진

면과 일정한 각도를 갖고 입사한다면 여러 개의 양극선에 동시에 음전하를 유도할 수 있다.

심지어는 입자가 양극선 면에 수직하게 입사한다고 하더라도 높은 에너지의 델타선(2.2절

참조) 때문에 하나의 양극선만 전하를 유도하는 경우는 드물다. 이와 같이 신호가 감지되는

여러 양극선의 조합을 무리(cluster)라 부른다. 대부분 위치분해능을 향상시키기 위하여 이

러한 무리의 크기를 줄일 필요가 있는데 주로 게이트의 폭을 조절하여 늦게 도착하는 신호

를 잘라버리든지 혼합기체의 조성을 바꾸는 방법 등을 쓰고 있다.

5.6 표류검출기

MWPC 개발 초기에 전자의 표류시간을 이용한다면 MWPC보다 더욱 정확한 위치정보를

얻을 수 있다는 것을 알게 되었다. 입자의 도착시간과 전자의 유동속도를 알고 있다면 양극

선과 전자의 출발점을 다음 식으로 구할 수 있을 것이다.

- 88 -

(5.31)

여기서 는 입자의 도착시간이고 은 양극선에서 신호가 측정된 시간이다. 따라서 유동영

역에서 전기장 크기가 일정하도록 하여 유동속도가 상수가 되도록 검출기를 설계하는 것이

매우 중요하다. 그림 5.7은 MWPC를 이용한 간단한 표류검출기의 구조를 보여주고 있다.

표류검출기에서는 일정한 유동속도를 갖는 충분한 유도영역을 확보하는 것이 중요한데 그림

5.5가 보여주듯이 MWPC의 양극선 사이에는 전기장이 균일하지 못한 영역이 발생한다. 이

를 교정하기 위하여 표류검출기에서는 양극선사이에 추가로 마당선(field wire)을 배치하고

그 외의 영역에도 여러 음극선(cathode wire)을 배열한다. 이때 양극선에 가장 가까운 음극

선부터 마당선에 가장 가까운 음극선까지 크기가 서서히 감소하는 전기퍼텐셜을 각각 적용

하여 크기가 일정한 전기장이 형성되도록 해야만 한다. 또한 표류검출기의 양쪽에 섬광검출

기를 설치하여 입자가 통과할 때 를 측정하고 타이머를 가동시킨다 (주의: 반드시 두 개

의 섬광검출기가 동시에 신호를 줄 경우에만 표류검출기 신호를 취득하여 잡신호를 제거한

다). 이 순간부터 전자의 표류가 시작되며 전자가 양극선에 도착하면 을 측정하고 타이머

를 멈추게 된다. 이제 식 (5.31)을 이용하면 입자가 통과한 위치를 비교적 정확하게 알아낼

수 있을 것이다.

섬광검출기

양극선

마당선

음극선

하전입자

등퍼텐셜면

그림 5.7 MWPC를 이용한 기본적인 표류검출기의 구조.

표류검출기의 공간분해능은 유동속도의 균일성과 전자가 유동하면서 발생하는 퍼짐에 의

해 결정된다. 만약 유동속도가 일정하다면 식 (5.4)와 (5.7)에 의하여 확산도는 간단하게

(5.32)

가 된다. 결국 유동전자의 퍼짐은 전자무리가 흘러간 거리의 제곱근에 비례하므로 가능한

한 유동거리를 짧게 할 필요가 있다. 예를 들어 유동거리를 수 cm 정도로 하면 100 μm 내

외의 공간분해능을 얻을 수 있다.

표류검출기의 장점은 MWPC보다 적은 수의 선과 전자장비로 넓은 영역을 뒤덮을 수 있

- 89 -

는 것이다. 그러나 좋은 공간분해능을 얻기 위해서는 혼합기체의 조성과 균일한 전기장이

형성될 수 있도록 더욱 많은 주의를 기울여야만 한다.

5.7 시간투영검출기

그림 5.8 미국 브룩해븐국립연구소(BNL)의 STAR TPC.

다중선비례검출기와 표류검출기가 더욱 발전한 삼차원 궤도추적검출장치가 바로 시간투

영검출기(TPC)이다. 그림 5.8은 전형적인 TPC의 구조를 보여주고 있다. TPC의 양쪽 끝에

는 비례검출용 양극선들이 배열되고 이 양극선면 외부에는 아주 작은 크기의 패드(pad)로

이루어진 음극판이 설치된다. 양극선면과 음극판은 필요에 따라 그림 5.8과 같이 여러 개의

구역(sector)으로 나뉘어 제작, 운영될 수 있다. 그리고 TPC의 중앙( )에 얇은 고전압

막(high voltage membrane)이 설치된다. 이 막에 음의 고전압이 걸리면 양쪽 마개

(endcap)로부터 축을 따라 막으로 향하는 전기장이 형성된다. 이제 하전입자가 TPC를

통과하면 궤도를 따라 전자-이온쌍이 생성되고 이 전자들은 전기장을 거슬러 전기퍼텐셜이

높은 양쪽 마개를 향해 흘러가 MWPC에서와 같이 양극선에서 검출된다. 그리고 양극선에

대해 수직한 좌표는 패드로 이루어진 음극판을 이용하여 검출한다 (식 (5.29) 참조). 그리고

이온화지점의 좌표는 표류검출기에서와 같이 전자의 유동시간을 이용한다. 결국 각 양극

선 및 패드, 유동거리는 입자궤적에 대한 정보를 제공해 주며, 이들을 모으면 궤도

의 삼차원 복원이 가능해지는 것이다. 한 가지 문제점은 TPC 내 전자의 유동거리가 너무

길어져 전자의 확산도가 커지는 것이다. 이를 막기 위하여 축에 평행한 자기장을 걸어준

다. 자기장 내에서 전자들은 유동방향 주위로 나선운동을 하며 이동하게 되고 확산도를 약

10 배까지 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다. 이때 전자가 자기장에 의해 유동궤도를 벗어

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나는 것을 방지하기 위하여 전기장과 완벽하게 평행하고 균일하여야만 한다. TPC 운영 중

발생 가능한 또 다른 문제점은 중앙 고전압막으로 흘러간 이온이 축적되어 전기장을 왜곡시

키는 것이다. 이를 방지하기 위하여 접지된 망(grid)을 양극선면 바로 안에 설치하여 주로

양극선 근처에서 생긴 양이온이 중앙 고전압막까지 이동하기 전에 포획해 버리는 방법을 사

용한다. 또 이 망은 유동영역과 사태영역을 구분하여 서로 독립적으로 운영이 가능하게 해

준다.

한편 양쪽 마개에서 측정한 유도전하의 크기가 TPC 내에서 상실한 입자의 에너지

()에 비례한다는 사실을 이용하면 입자구분도 가능해 진다 (그림 2.2). 그림 5.9는 자

기장 내 입자궤도의 곡률반지름을 이용하여 구한 운동량과 를 서로 관련시킨 예로서

전자, 뮤온, 파이온 등의 입자 구분이 가능함을 보여주고 있다.

그림 5.9 TPC에서 측정한 와 운동량과의 상관관계.

PEP4/9-TPC에서 얻은 결과 [3].

5.8 참고문헌

[1] M. E. Rose and S. A. Korff, Phys. Rev. 59, 850 (1941).

[2] T. Z. Kowalski, Nucl. Instrum. Methods A 234, 521 (1985).

[3] Particle Data Group, Phys. Lett. B 692, 1 (2004).

[4] G. Charpak, G. Melchart, G. Petersen, F. Sauli, Nucl. Instrum. Methods 167, 455

(1979).