The Power Distribution System for the AMS-02 Experiment on the International Space Station and A Transition Radiation Detector as a Trigger Device for a Synchrotron Radiation Detector

Abstract

국제 우주 정거장 (International Space Station: ISS) 에 설치되어 몇 년간 지속적인 고에너지 우주선 관측과 반물질 및 암흑물질을 탐색하기 위한 AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer: AMS) 실험 장치는 여러 종류의 검출기들과 그에 따른 전자장비들로 구성된다. 국제 우주 정거장으로부터 120 V, 약 2.8 kW의 전력을 공급받아서 AMS-02의 각 하부 검출기의 전자장비와 히터로 120 V와 28 V 두 가지 종류의 전원을 공급하는 장비를 전원공급 장치(Power Distribution System: PDS)라 한다. 전원공급 장치는 지상에서 원격제어가 가능하도록 설계되어 있으며, 동작 실패를 대비하여 모든 기능들이 여분을 가지도록 설계되었다. 비행 모형의 전 단계로 제작된 엔지니어링 모형 (PDS-EM)의전기적인 특성조사 및 기능 분석 실험을 통하여 보완되거나 수정되어야 할 부분을 찾는 것이 이 연구의 목표이다. 이 논문에서는 AMS-02 실험과 그 전원 공급장치에 대한 소개 및 엔지니어링 모형의 검증실험을 위해 제작한 장비 및 프로그램에 대해 기술하였다. 또한 NASA에서 규정한 전자장비의 필요요건 충족여부확인, 출력 전압의 특성조사, 전류 전압 기록 장치확인, 원격제어 기능확인, 오동작 또는 과부하에 따른 손실을 방지하기 위한 보호기능 확인, 전압 변환기의 효율 조사, AMS-02 실험 장비를 대체한 모의 부하를 사용한 전력소비 측정, 그리고 실제 AMS-02의 전자장비와의 연동 샘플링 테스트 등의 결과를 다루었다. 다른 한편으로는 AMS-02 실험 프로그램의 일환으로 개발되었으나 제한된 무게 및 전력공급의 이유에 의해 우주에서의 독립적인 사용을 고려중인 싱크로트론 복사 검출기 (Synchrotron Radiation Detector: SRD) 실험에 대한 연구도 병행하였다. 싱크로트론 복사 검출기는 수 백 GeV에서 수 십 TeV 에너지 영역대의 전자와 반전자 측정을 위해 고안되었으며 2001 년에는 시제품인 PSRD가 우주왕복선에 탑재되어 그 가능성을 확인 받았다. 이러한 싱크로트론 복사 검출기의 독자적인 사용을 위해서는 광범위한 우주 배경복사와 양성자에 의한 배경잡음을 줄일 수 있는방아쇠 장비가 필요하다. 이에 따라 하전 입자에너지를 측정하는 Electromagnetic Calorimeter (ECAL)을 이용한 설계가 제안되었으나 ECAL에 충돌하고 싱크로트론 복사 검출기로 향하는 후방산란 효과를 제거하기 위해서는 검출기 사이의 거리가 너무 멀어지거나 전자 신호처리 장치의 속도가 빨라져야 하는 어려움이 발견되었다. 따라서 전이복사 검출기 (Transition Radiation Detector: TRD)를 방아쇠로 하는 새로운 설계를 제안하고자 한다. 본 연구에서는 기존에 많이 쓰여지던 전이복사 검출기의 가스관 대신 두께가 아주 얇은 무기 형광체와 광전자 증배관을 X 선 검출기로 사용함으로써 전이복사 검출기를 우주사용에 적합하도록 제어가 간단하고 무게를 줄이는 방안을 제시하였다. 이 설계의 유용성을 검증하기 위하여 GEANT4 모의 시늉 프로그램을 사용하였으며 그 결과를 기술하였다.;Part A: The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is proposed to study charged particles and the nuclei component of cosmic rays in the rigidity range from 0.5 GV to a few TV with high statistics and to search for antimatter and dark matter. The experiment will be installed on the International Space Station (ISS) for a period of three years. An essential component of the experiment is the power distribution system, which converts the 120 VDC from the ISS to 28 VDC and distributes 28 VDC and 120 VDC to the numerous components of the detector. This work comprises an introduction to astroparticle physics, a summary of the achievements (AMS-01) and the scientific goals of the AMS experiment on the ISS (AMS-02), a description of the detector layout and a detailed report on the development and tests performed for the power distribution system. Part B: A trigger device for a stand-alone Synchrotron Radiation Detector (SRD) in space should have a minimum weight, a low power consumption and no negative impact on the SRD itself. The proposed Transition Radiation Detector (TRD) is a good candidate for a trigger detector, because of its additional proton background suppression capability. In this study a single layer of radiator material coupled to a crystal scintillator readout by a photomultiplier is proposed, which replaces the standard TRD readout technology with gas chambers to simplify the system for space applications. The feasibility of this design study is discussed.