Study of particle identification of gamma rays and charged particles using a KIMS CsI(Tl) detector

Abstract

핵 및 입자물리 실험에서 가장 유용하게 사용하고 있는 섬광물질은 CsI(Tl) 크리스탈이다. 본 연구에서는 KIMS (Korea Invisible Mass Search) 그룹에 의해 개발된 CsI(Tl) 크리스탈의 특성을 연구하였다. 본 연구는 핵 천체 물리 실험에서 한 개 이상의 검출기를 겹쳐서 사용하는 &#8710;E-E 방법이 아닌 감마와 하전입자들을 구분하는데 한 개의 검출기 필요성이 연구의 동기가 되었다. 실리콘과 섬광물질들을 사용하는 &#8710;E-E 방법은 핵물리 실험에서 주로 하전입자들과 감마선 구분에 사용되었다. 하지만 이 방법은 앞에 있는 &#8710;E검출기의 두께와 실리콘 검출기의dead layer 때문에 아주 낮은 에너지의 입자들을 검출하는데 사용할 수 없다. 따라서 향상된 방법이 FADC발달에 기반해서 오직 한 개의 실리콘 검출기의 파형 분석을 입자들의 구분에 이용하는 것이다. 이 FADC 장비는 입자들의 모든 파형 정보를 많은 데이터들이 한꺼번에 쏟아져 나오는 실험에서 빠르고, 효과적으로 저장한다. 본 연구에서는 하전입자와 감마선을 측정하는데 KIMS CsI(Tl) 검출기를 연구하였다. KIMS 연구팀은WIMP 입자들의 검출을 위한 아주 낮은 내부 백그라운드를 가지는 CsI(Tl) 크리스탈을 개발하였다. 또한, KIMS 자체 개발한 아주 낮은 백그라운드를 가지는 물을 이용하여 CsI(Tl) 크리스탈의 내부 백그라운드를 감소시켰다. 입자 구분은 핵 천체 물리실험에서 매우 중요하다. 본 연구는 이화여자대학교 응용핵물리 실험실의 진공 챔버 안에서 몇 개의 방사선소스를 이용하여 감마와 알파입자들을 측정하여 얻었다. 뿐만 아니라 본 연구는 한국 원자력 의학원 (KIRAMS) 에서 ^(19)F(p,α)^(16)O 와 ^(29)Cu(p,p) 반응으로부터 알파와 양성자 입자들을 측정하였다. 이 실험을 위해서 한국 원자력 의학원의 사이클로트론 장비로부터 발생되는 30 MeV 양성자 빔을 이용하였다. 데이터는 FADC를 사용하여 저장하였다. 본 연구에서는 확실하게 하전입자들로 부터 감마선을 구분할 수 있었다. 또한 알파 소스로부터 다른 에너지를 가지는 알파입자 그룹들을 구별할 수 있었다. 본 연구에서는 낮은 에너지 (~1-5 MeV 이하)에서는 파형분석을 통한 입자구분이 가능하지 않다는 이전의 다른 실험들과 일치하는, 낮은 에너지에서 알파와 양성자 입자들을 정확하게 구별할 수 없었다. 하지만, 본 연구에서는 높은 에너지 (~5-10 MeV 이상)의 알파와 양성자 입자들의 두 그룹은 구별할 수 있었다.;One of the most commonly used scintillators in nuclear and particle experiments is CsI(Tl). In this research, we studied the characteristics of a CsI(Tl) crystal developed by KIMS (Korea Invisible Mass Search) collaboration. This study was motivated by the need of a detector for identifying gamma rays and charged particles in nuclear astrophysics experiments without using more than one layer of detectors in a series for the &#8710;E-E method. The &#8710;E-E method using silicon and scintillator detectors is most commonly used as particle identification for charged particles and gamma rays in the nuclear experiments. But this method cannot be used for detecting very low energy particles due to the thickness of the &#8710;E front detector and dead layers in silicon detectors. Therefore, one improvement is to utilize particle identification by pulse shape analysis of one layer of a detector based on the development of FADC(Flash Analog-to-Digital Converter). FADC records all the information of the pulse, directly and efficiently where a number of data are extracted simultaneously. We investigated a KIMS CsI(Tl) detector for detecting both gamma rays and charged particles. KIMS developed ultra-pure CsI(Tl) crystals for extremely rare events of Weakly Interacting Massive Particles. The KIMS collaboration reduced the internal background of the CsI(Tl) crystals using an ultra-low background water they developed. Particle identification is very important in nuclear astrophysics experiments. In this study, we obtained gamma rays and alpha particles from several sources in the vacuum chamber at the Applied Nuclear Physics Laboratory at Ewha Womans University. In addition, we measured alpha particles and protons from the ^(19)F(p,α)^(16)O and ^(29)Cu(p,p) reactions at Korea Institute of Radiological & Medical Sciences (KIRAMS). For these experiments, we used a 30 MeV proton beam generated by the MC-50 cyclotron facility at KIRAMS. The data were recorded using the FADC. We were able to clearly identify the gamma rays from other charged particles. We also identify different energy groups of alpha particles from an alpha source. We were unable to clarify accurate separation of alpha and proton particles at low energy region, which agrees with other previous experiments that reported the particle identification by pulse shape analysis is not possible for low energy(<~1-5 MeV). However, we observed two separate groups for protons and alpha particles at high energy(> ~5-10 MeV).