Pulse shape discrimination using CsI(Tl) crystals for nuclear astrophysics experiments

Abstract

핵 및 입자물리 실험에서 CsI(Tl) 크리스탈은 검출기로써 많이 사용이 된다. 우리가 본 실험에 사용한 CsI(Tl) 크리스탈은 암흑물질 연구 그룹인 KIMS(Korean Invisible Mass Search)에서 개발한 것으로, 내부 백그라운드 방출의 주요 원인인 세슘 동위원소들의 함유량을 줄여서, 크리스탈의 순도가 높다. 이렇게 개발된 크리스탈의 특성을 조사하고, 그 특성을 이용하여, 하전 입자구분법을 적용해보는 것은 핵 천체 물리 실험적으로 매우 의미 있는 일이다. 하전 입자 구별에 보통 많이 쓰이는 방법은 여러 개의 실리콘 검출기를 이용하여 입자의 에너지 손실을 비교함으써 입자들을 구별하는 ΔE-E 방법이 있다. 하지만 이 방법은 실리콘 검출기의 비싼 가격 때문에 경제적인 문제가 생길 뿐 아니라, 실험 결과 생겨나는 수백 keV이하의 에너지를 가진 입자들은 ΔE 검출기에서 모두 멈춰버려서 구분할 수가 없다. 따라서 한 개의 검출기만을 이용하여, 입사한 입자들에 의해 생겨난 신호들의 모양을 분석함으로써, 입자들을 구분해내는 방법의 연구가 필요하다. 이는 신호들의 정보를 빠르게 기록할 수 있는 FACD가 상용화되면서 가능해졌다. 우리는 우선, Geant4 시뮬레이션을 통해서 하전 입자들의 물질 내에서의 에너지 손실특성을 나타내는 Bragg curves를 구하고 그것을 이용하여 신호 모형을 알아보았다. 시뮬레이션을 통해 우리는 다른 에너지를 가진 같은 종류의 입자는 신호 모형으로 구분하는 것이 어렵고, 같은 에너지를 가졌지만, 다른 종류의 입자는 신호 모형으로 구분하는 것이 가능함을 알았다. 본격적인 실험에 앞서, 우리는 우리의 CsI(Tl) 크리스탈 검출기들의 에너지 분해능을 테스트해보았고, 5 х 5 х 1 cm3 크리스탈을 이용하여, PMT와 입사하는 입자의 위치에 따른 거리 차로 인한 신호의 약화 효과를 테스트해 보았다. 그리고 2 х 2 х 1 cm3 크리스탈과 방사선 소스를 이용하여 실험을 한 후, 파형 모형 분석으로 입자를 구별하는 세가지 방법을 각각 적용하여 실험 데이터를 분석했다. 먼저 섬광검출기의 기본 특성으로 인해 생겨나는 파형의 decay time 차이로 감마 입자와 알파입자를 구분 했다. 두 번째는 파형의 rise time 차이를 이용하여, 알파 입자와 감마 입자를 구분했고 이 rise time 정보를 서로 다른 에너지를 가진 같은 입자들의 구분에도 적용해보았다. 마지막으로, 파형이 발생하는 평균 시간에 따른 이벤트 분포를 비교함으로써 입자 구별에 적용해보았다. 비록 우리는 실험실 내에서 방사선 소스를 이용하여, 입자 구별 방법을 연구하였지만, 이 연구 결과들은 앞으로 많은 종류의 입자들이 한꺼번에 발생되는 가속기 실험과 같은 복잡한 실험의 결과 분석에 많이 적용될 것이다.;In general, CsI(Tl) crystal that is a kind of scintillator detector are widely used in high energy and nuclear physics experiments. We studied about the characteristic of the CsI(Tl) crystals which were developed by KIMS collaboration for dark matter research. These CsI(Tl) crsytals were reduced the Cesium radioisotopes that emit most internal background, so they have ultra low background radiation in the world. It is valuable itself to study about the characteristics of these crystals and we tried to apply the particle indetification using these crystal detectors. Particle idectification is very important in nuclear astrophysics experiments and most common method of paticle identification is E-E method using silicon detectors. However to using that method, there would occur economical problems with the high prices. Morover low energy particles below hundreds KeV stop all at the first thin detector, so we can not distinguish them. Therefore pulse shape analysis using a detectors are applied to particle identification based on the development of FADC that records all the information of pulse by full digitization. We analyzed the data from FADC as three method. First method is to compare the decay times of alpha and gamma particles. Second is to distinguish the pulse shapes of different energy particles even if the particles are the same kinds. The last one is to seperate the particles iducing the mean time and the event distributions. We studied this research with radioactive sources in the laboratory and distinguished only alpha and gamma particles from the mixed paricle group. However these method can be applied for more complex experiments as like accelerator experiments which produce many kinds of particles.