Measuring a geometry of a HPGe detector for absolute detector efficiency and developing a signal processing system for particle identification using a silicon detector

Abstract

Part Ⅰ: Measurement of the geometry of a HPGe detector for the absolute detector efficiency by using a X-ray generator Absolute efficiencies of HPGe detectors are essential for measuring cross sections of gamma-induced reactions and for determining activities of radioactive isotopes. However, several studies show that the efficiencies estimated from GEANT4 simulation results were considerably higher than measured values using calibrated gamma sources. One of the reasons for these discrepancies is due to dead layers in HPGe detectors. In addition to dead layers, we investigate a possibility that the value of HPGe detector geometry provided by manufacturers is inaccurate for GEANT4 simulation. Several internal images of a 30% efficiency HPGe detector were taken by irradiating X-ray beam and were then converted to real values of the HPGe detector geometry by the Osiris program. Using GEANT4, we checked if the HPGe detector has 30% relative efficiency with respect to a 3 inch x 3 inch NaI detector. We simulated to obtain the percentage of gamma rays that were made to the HPGe detector that is located at 25 cm from a ^(60)Co source, which produces a 1.33-MeV gamma ray. Input data of detector geometry for these simulations has two sets, one provided by the company and the other measured from our X-ray images. We compared the absolute efficiency by using the HPGe detector geometry provided by the manufacturer with the one using the measured values from the X-ray images. We found out that the counts registered by the HPGe detector with measured dimension values would be about 2.91% less than the one recorded by the HPGe detector with the dimension values provided by the company without considering dead layers. Considering large discrepancy reported by previous other studies, dead layer is probably more dominant reason than the detector geometry difference. However, our study shows that the detector geometry parameters from the company is not accurate for GEANT4 simulation. In conclusion, in order to reduce discrepancy between experimental efficiency and simulation value, more accurate detector geometry dimensions are required. Part Ⅱ: Development of a signal processing system for particle identification using a single-layered silicon detector For charged particle detection, silicon detectors are used widely in nuclear and particle physics experiments. Charged particles are usually distinguished by the △E-E method, using two or more silicon detectors in series. However, we cannot apply this method every time for identifying all charged particles of different energies. If low-energy charged particles stop completely in the first △E detector in some experimental conditions, the △E-E method cannot be used. Therefore, it may be desirable to identify particles by the pulse shape discrimination method using only one-layered detector. In this study, we first simulated pulse shapes of light charged particles at various energies. These simulation is helpful for figuring out how charged particles interact with a silicon detector. Then we tested the silicon detector with a ^(210)Po alpha source and measured charged particles from the ^(27)Al(p,p) reaction and the ^(19)F(p,αγ)^(16)O reaction at the KIRAMS cyclotron facility. For the ^(27)Al(p,p) reaction we used a 35 MeV proton beam, which was lowered to about 5.2 MeV by using a 5.5 mm thick Al degrader. In addition we did experiment of the ^(19)F(p,αγ)^(16)O reaction to acquire pulse shape data of protons and alpha particles using a 0.2 mm thick Al degrader. Unfortunately, we cannot discriminate alpha particles from protons emitted from the ^(19)F(p,αγ)^(16)O reaction because of several unknown values. However, we conclude that the pulse shape analysis would be a good method for distinguishing light charged particles under certain experimental conditions from simulation and experiment results. In this work, we simplified electronics and cables and acquired pulse shape data using FADC(Flash Analog Digital Converter) so it can bring handling signals of speed and off-line analysis. Furthermore, the digital signal processing system we developed will be expected to be a useful system for particle identification using a silicon detector.;파트 Ⅰ: X-ray를 이용한 HPGe 검출기의 절대효율을 위한 구조 측정 HPGe 검출기의 절대효율은 방사성 동위원소를 측정하고 감마선이 나오는 반응의 단면적을 구하기 위해서 꼭 알아야 한다. 그러나 이전의 여러 연구결과에 의하면 절대효율의 측정값보다 모의실험값이 수 퍼센트에부터 많게는 40% 정도 더 높게 나타났다. 이러한 효율 차이의 원인으로 생각되어지는 것은 검출기내의 inactive layer 가 존재한다는 것과 모의실험에 입력되는 정보인 제조사로부터 받은 검출기의 구조 정보가 잘못된 것일 수 있다는 것이다. 이 연구에서는 제조사로부터 받은 검출기의 구조 정보가 정확하지 않을 가능성에 대하여 알아보았다. HPGe 검출기의 내부 X-ray 사진들로부터 오시리스 소프트웨어를 이용하여 사진의 pixel값을 구조의 실제값으로 변환하였다. 제조사에 의하면 30%의 상대효율을 갖는 HPGe 검출기를 본 연구에서 사용하였기 때문에 우선 GEANT4를 이용하여 실제로 30%의 상대효율을 갖는지 확인했다. 모의실험은 제조사로부터 받은 검출기의 구조 정보와 실제로 X-ray 사진으로부터 측정한 구조 정보를 입력했을 때의 절대효율의 차이를 알아보았다. 두 구조 정보에 대해 검출기가 ^(60)Co 소스로부터 25cm 떨어졌을 때 1.33-MeV 의 감마를 몇 퍼센트나 검출하는지를 비교하였다. 모의실험을 통해 제조사로부터 받은 검출기의 구조 정보를 입력했을 때가 X-ray 사진으로부터 측정한 구조 정보를 입력했을 때보다 3% 정도 더 많이 검출된다는 것을 알 수 있었다. 이는 실험값과 모의 실험값에서의 절대효율의 차이의 요인으로 inactive layer의 존재가 더 주요하다는 것을 알 수 있다. 그러나 제조사로부터 받는 검출기의 구조 정보 또한 무시할 수 없는 요인이 되며, 절대 효율의 측정을 위해서는 더 정확한 구조 정보가 필요하다는 것을 제시한다는 점에서 이 연구의 의의가 있다. 파트 Ⅱ: 실리콘 검출기를 이용한 입자 검출실험에서의 신호처리시스템 구축 핵 및 입자 물리에서 하전입자를 구분하여 검출하고자 할 때 주로 두 개 이상의 실리콘 검출기를 사용하는 △E-E 방법을 이용한다. 그러나 이 방법은 낮은 에너지의 하전 입자의 경우에 그 하전 입자가 완전히 통과할만한 얇은 △E 실리콘 검출기를 구할 수 없기 때문에 적용할 수 없다. 따라서 하나의 실리콘 검출기만을 이용하여 펄스파형분석을 통해 하전입자를 구분할 수 있는 방법을 고안하는 것은 필수적이다. 이 연구에서는 펄스파형분석을 통해 입자 구분을 하기 위한 신호처리시스템을 구축하였다. 이 연구에서는 우선 모의실험을 통해 가벼운 하전 입자들을 다양한 에너지에 대해 펄스파형을 알아보았다. 이것은 하전 입자들이 실리콘 검출기와 어떻게 상호작용하는지를 알 수 있어서 실제 실험에 도움이 되었다. 먼저 ^(210)Po 알파소스를 가지고 소스테스트를 한 후 원자력의학원 싸이클로트론의 양성자 빔을 이용에서 ^(27)Al(p,p) 반응과 ^(19)F(p,αγ)^(16)O 반응 실험을 진행하였다. ^(19)F(p,αγ)^(16)O 반응 실험을 통해 알파입자와 양성자를 구분해 내는 결과는 얻지 못하였지만 분석과정을 통해 이 연구의 목표인 디지털 신호처리 시스템을 구축하였다. 실험과정에서는 FADC(Flash Analog Digital Converter)를 사용하여 실험기계와 케이블을 최소화하여서 펄스파형 데이터를 받았다. 또한 신호처리 시스템을 구축함으로서 펄스파형 데이터만으로 오프라인 상에서 빠르게 에너지와 rise time 정보를 얻을 수 있다. 이 연구에서 구축한 디지털 신호처리 시스템은 실리콘 검출기를 이용한 입자 구분 실험에서 유용하게 사용될 것이다.