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A study on silicon sensors for astrophysics experiment

Title
A study on silicon sensors for astrophysics experiment
Authors
이혜영
Issue Date
2013
Department/Major
대학원 물리학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
박일흥
Abstract
Silicon is the most popular material for electronics devices. It is promising and widely used for radiation detectors. Therefore silicon has been applied to almost everywhere in science and engineering. One of prime examples is X-ray detection in astrophysics, especially in space applications. Silicon detectors have many advantages over other types of detectors because of their light weight, small volume, low power consumption, and mechanical and thermal robustness. Gamma Ray Bursts (GRBs) are extremely interesting phenomena in astrophysics, because they are the most powerful explosions in the universe, emitting all types of electromagnetic radiations and particles. They are occurred at far distance and only for a few tens of seconds, so the observation of GRBs requires large aperture telescopes for ultraviolet/optical/infrared detection and large area detectors for Gamma/X-rays, both equipped with high sensitive sensors. One of future space projects in progress is UFFO (Ultra-Fast Flash Observatory) led by my institute. Unlike previous missions, UFFO aims to measure the X-ray energy in broad band, i.e. 3 ~ 300 keV. Motivated by such a challenging project, I have developed silicon sensors both for detection of low and high energy X-rays from GRBs. For low energy X-ray detection, the novel silicon stripixel sensors have been designed and fabricated, where strips of comb shapes intertwine with neighbor strips of also comb shapes to act as pixels. Silicon stripixel sensors can detect X-rays of energy of 10 keV or less with nearly 100% efficiency. For high energy X-ray detection in space, the Silicon Photomultipliers are the first introduced in my thesis for detection of ultraviolet/optical generated from scintillating crystals. The Silicon Photomultipliers can replace conventional photomultipliers tubes, owing to their advantages in weight, volume, power consumption, and robustness, ideally suitable for space applications. I have designed and fabricated successfully these devices that are built with YSO crystals to convert X-rays to ultraviolet /optical for the detection of X-rays up to the energy of 300 keV. This thesis describes the details of these silicon sensors developments in-cluding the design, simulation, fabrication, and performance tests.;실리콘은 반도체 전자장치 개발에 있어 가장 인기 있는 소재로써 방사선 검출기로의 사용 가능성 또한 기대된다. 이러한 실리콘은 현재 거의 모든 곳, 공학 및 산업에는 물론 과학분야에도 널리 적용되고 있다. 특히 천체 물리학 분야에서 X-레이 검츨기로의 적용을 통한 공간 응용 프로그램의 개발이 가장 기대된다. 실리콘 반도체 기술을 이용한 실리콘 센서 및 검출기는 초소형, 경량, 낮은 전력 소모, 그리고 기계적 및 열 견고성 등에 있어 다른 센서에 비해 많은 장점이 있다. 이러한 많은 장점은 특히 우주실험에 있어 검출기로서 적용하는데 매우 적합하며, 이에 우리는 이 센서들을 천체 물리학에서 매우 흥미로운 현상으로 주목 받고 있는 우주에서 가장 강력한 폭발인 감마선폭발 (GRBs) 현상으로 부터의 전자 방사와 모든 종류 입자의 배출을 검출하기 위해 이용하고자 하였다. 수십만 키로 이상의 먼 거리의 우주로부터 수초에 발생하는 GRBs의 관찰을 위해서는 감마선, 자외선, 가시광, X-선 등 모든 영역에서의 광학 검출이 필요하며, 이에 앞서 감마선폭발의 선별적, 정확한 측정을 위해 매우 민감한 센서가 장착된 큰 조리개를 가지는 X-선 트리거 망원경이 무엇보다 중요하다. 현재 감마선 폭발 관측을 위해 진행 중인 프로젝트들 중, 국내기관이 주도하여 개발중인 프로젝트로 새로운 X-선 트리거 망원경을 개발하여 감마선 폭발현상을 관측하고자 하는 UFFO(초고속 플래시 전망대) 미션이 있다. 이 UFFO미션은 이전 다른 미션들과는 달리, 3~300keV의 광범위한 에너지 대역에서 X-선을 측정하는 것을 목표로 하고 새로운 형태의 X-선 망원경을 제안하고 있다. 이러한 도전적인 프로젝트를 위해 본 논문에서는 광범위한 에너지 영역에서의X-선검출을 위해 X-선 영역을 고에너지 영역과 저에너지 영역으로 나누어 두개의 검출기를 개발하였으며, 이는 실리콘 센서의 개발을 통해 가능하였다. 첫째로, 낮은 에너지 X-선 검출기로서 x축과 y축으로부터 나오는 양갈래의 스트립이 서로 빗모양으로 꼬여 정확한 위치 정보 및 에너지 측정이 가능한 실리콘 스트립센서를 개발하였다. 실리콘 스트립 센서는10keV이하의 에너지 대역에서 100 % 효율로 감마선 폭발로부터 오는X-선의 에너지 및 위치정보를 검출 할 수 있다. 이 검출기로부터 감마선 폭발의 선별 및 그 초기 위치 정보의 수집이 가능하다. 둘째로, 우주에서 고 에너지 X-선 검출을 위해 X-선 검출용 결정과 더불어 사용될 실리콘 광증배소자를 개발하였다. 그동안 미세광의 검출을 위해서는 광증배관을 사용하였는데, 이러한 광증배관은 크기나 전력소모, 견고함 등에 있어서 우주 미션에 적용되기에 많은 취약점을 가지고 있다. 본 논문에서는 실리콘을 이용한 실리콘 광즘배 소자를 개발하여 기존의 단점이 많아 우주 실험에의 적용이 어려웠던 광증배관을 교체 하였다. YSO결정을 사용하여 감마선폭발로부터 오는 X-선 에너지를 최대 300keV까지 측정이 가능하며, 본 논문에서는 소자의 개발은 물론 이러한 장치의 설계 및 가공 또한 진행하였다. 이 논문에서는 천체물리학 분야에서 감마선 폭발의 관측을 위한 우주 실험을 위해 많은 장점을 가지는 실리콘 반도체 기술을 이용한 광대역 X-선 검출기 및 초미세 광센서를 디자인 및 시뮬레이션, 설계, 개발하였으며 제조 및 성능 테스트를 마쳤다. 이러한 모든 사항을 다루었다.
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일반대학원 > 물리학과 > Theses_Ph.D
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