Access 우주정거장 실험에서 고에너지 우주선측정을 위한 실리콘 검출기에 관한 연구

Abstract

국제우주정거장(International Space Station)에 우주선의 기원과 우주선의 전파 방법과 가속 방법을 궁극적으로 알기 위해 ACCESS (Advanced Cosmic ray Composition Experiment on Space Station) 실험 장치가 올려질 것이다. ACCESS를 구성하고 있는 검출기 중 원소의 전하량을 알아내는데 유용한 실리콘 검출기의 두께와 픽셀의 크기를 정하려고 한다. 입자가 실리콘을 지나 다음에 있는 탄소 흡수체나 열량계의 밀도가 높은 물질로 인해 만드는 후방산란 입자들의 영향을 고려하여야 한다. 본 연구에서는 Geant4 시늉내기 방법을 이용하여 먼저 실리콘의 한층을 구조화하여 Z=1인 입자부터 Z=28인 입자까지 10 GeV에서 10 TeV의 에너지를 주어 입사시키고 또 실리콘의 두께를 바꿔가면서 입사시켰다. 결과 실리콘 내에서의 이온화 에너지 손실량이 전하량의 제곱에 거의 정확히 비례한다는 것을 알았고 두께가 두꺼울수록 이온화에너지 손실량이 선형적으로 비례한다는 것을 알았다. ACCESS 전체 장치를 시늉내기 하여, 일차 입자와 후방 산란한 입자들의 거리 분포를 구하였고 각 픽셀의 크기를 정하여 픽셀 내에 일차 입자와 이차 입자의 손실한 총에너지를 구하였다. 전체적으로 보아 2차 입자가 일차 입자 가까이에 있는 사건이 10% 이내로 이차 입자가 입자들을 구분하는데 큰 어려움을 주지 않는 것으로 보였다. 또한 픽셀 크기당 헬륨으로 오해되는 양성자의 양을 봄으로써 가장 적합한 픽셀 크기를 찾을 수 있는데 결과적으로 1 ㎜와 1 ㎝와 2 ㎝의 차이가 크지 않아 기술적으로나 경제적으로 1 ㎝나 2 ㎝ 정도의 크기가 적합하리라 본다.;In 2007, ACCESS (Advanced Cosmic ray Composition Experiment for the Space Station) on the International Space Station(ISS) will measure the individual element composition of cosmic rays at energies a thousand times higher than any previous measurements of similar resolution, reaching to 10^(15) eV for understanding of the origin, source, and the acceleration mechanism of cosmic rays. We can determine the charge of these cosmic rays using the silicon detector, one of detectors in ACCESS. We simulate the reaction of high energy heavy ions in silicon detector by Geant4 simulation tool. The pixel size of Si-detector is important to distinguish between cosmic rays and backscatterings in ACCESS because the calorimeter consists of high density carbon matter and BGO is located under the Si-detector, which makes the backscatterings. The simulation is carried out for one layer Si-detector of full ACCESS structure. The heavy ions (Z=1 to Z=28) with high energies from 10 GeV to 10 TcV penetrate one silicon layer and the full detector with various thickness. The results show that energy loss is linearly proportional to Z^(2) and thickness. In full ACCESS simulation we distinguish the backscatterings originated in calorimeter from primaries. In order to determine the contamination of the backscatterings in the primaries in each pixel, the average distance distribution of the primary particles and the backscatterings are calculated. Results show that the secondary particles do not affect so much for the identification of each elements. From the results of deposited total energy in each pixel, pixel size of 1cm or 2cm is adequate for the identification of the elements.