MIT의 물리학 박사과정 학생인 Spencer Axani와 미국 국립 핵연구 센터 조교수 Paweł Przewłocki 등이 진행한 CosmicWatch라는 프로젝트를 참고하였습니다.

 CosmicWatch는 IceCube 실험에서 사용한 Muon Tagging Optical Modules (MTOMs)에서 독립적으로 발전한 프로젝트로 학부생이 만들 수 있을 정도로 구조가 단순하고, 개당 가격이 100$ 미만으로 값싸며 크기가 손바닥 정도로 작다는 장점이 있습니다. 따라서 다른 디자인의 검출기들보다 비교적 쉽게 제작할 수 있을 것으로 기대하였습니다.

 ②. 골판지와 테이프를 이용해 PCB 기판을 바닥에 고정시키고, 메탈 마스크의 구멍과 PCB 기판의 동판의 위치를 맞춘 다음 구멍의 위치가 흔들리지 않게 메탈 마스크도 테이프로 고정시킨다.

 ➂. 사용하지 않는 카드로 크림 납을 얇게 펴 발라준다. 그 다음 메탈 마스크를 제거하고 핀셋을 이용해 앞서 ①에서 분류한 부품 중에 발이 없는 부품(SMD 부품)을 먼저 인장한다. 

 ④. 인장을 마치고 나서 인두기와 실납을 이용해 부품들을 납땝하고 나머지 올라가지 않은 부품(LED, 아두이노 나도 등)도 맞는 위치에 납땜해 준다. 

 ⑤. 완성된 Main PCB, SiPM PCB, SD card PCB 기판을 분리, 조립하고, OLED 스크린도 맞는 위치에 꽂아준다.

 ⑥. 5cm×5cm×1cm 크기의 플라스틱 섬광체의 바닥에 6mm×6mm 크기의 면적만 남겨두고 알루미늄 호일과 테플론, 절연테이프로 감싼 다음, SiPM에 빛이 더 잘 전달되게 하기 위해 플라스틱 섬광체의 바닥에 옵티컬 겔을 발라주고 SiPM에 부착하였다. 

 ⑦. 마지막으로 아두이노 통합 IDE를 이용해 Cosmic Watch 깃허브 페이지에 있는 Naming.ino 코드의 검출기 이름 부분을 원하는 이름으로 수정한 뒤, 아두이노 나노에 업로드하여 우리가 지은 뮤온 검출기의 이름을 아두이노 나노의 EPPROM에 저장해주고, OLED.ino 코드를 업로드하여 완성된 검출기가 OLED 스크린과 LED로 검출된 신호를 출력하게 만든다.

 ⑧. SD 카드에 검출된 입자 신호를 저장하고 싶다면 검출의 SD 카드 소켓에 SD 카드를 꽂고, 아두이노 통합 IDE를 통해 SDCard.ino 코드를 업로드 해주면 된다. 이때 아두이노 나노의 메모리 한계 때문에 OLED.ino 코드와 SDCard.ino 코드가 동시에 돌아가지 않기 때문에 OLED 스크린에 검출된 신호가 표시되지 않는다.

 이때 OLED 스크린과 LED, SD 카드에서는 Peak finder 회로로 걸러진 신호의 특성이 기록되고 BNC 케이블에서는 정제되지 않은 신호의 파형이 그대로 나온다는 차이가 있다.

 우리는 이런 검출기를 총 두 대 제작하였으며 하나는 SD 카드 회로가 동작하지 않음을, 나머지 하나는 SD 카드 회로와 Peak finder 회로가 동작하지 않음을 확인하였다.

 실험은 총 두 번 진행되었으며, 첫 번째 실험에서는 5cm×5cm×5cm 플라스틱 섬광체 위에 Co-60 방사선원을 두고 45분 가량 데이터를 받았고, 두 번째 실험에서는 배경신호를 구분하기 위해 플라스틱 섬광체 위에 아무것도 올려두지 않고 57분 가량 데이터를 받았다.

 실험 결과, 다음과 같은 두 그래프를 얻을 수 있었고, Co-60 방사선원의 신호만 보기 위해 두 실험의 시간 스케일을 맞추고 그래프 1 히스토그램에서 그래프 2 히스토그램을 뺀 그래프는 아래와 같다.

 그래프 3에서 심각하게 음수로 향하는 값이 보이지는 않는 것은 그래프 1이 Co-60에 의한 신호와 background 신호를 포함하고 있다는 우리의 추측이 맞음을 보여준다. 또한 그래프 1, 2의 오른쪽 엣지가 분명하지 않게 나타나는 것을 볼 때, 플라스틱 섬광체의 크기에 비해 SiPM의 크기가 작아 컴프턴 산란으로 생성된 광자가 SiPM에 도달하는 효율이 떨어져 에너지 분해능이 떨어지는 것으로 추정된다. 그 밖에도 플라스틱 섬광체가 Stopping power가 작아 감마선의 에너지가 일부 빠져나오거나, 큐브 모양의 섬광체 모서리에 광자가 갇힌다거나 하는 이유로 검출기의 효율이 떨어질 수 있다. 

 따라서 Co-60에서 나오는 1173.2keV, 1332.5keV 감마선이 우리가 만든 검출기로는 제대로 구분되지 않을 것이며, 이 둘의 평균인 1252.85keV의 감마선이 나오는 것처럼 측정될 것이다. 위 점을 염두하고 그래프 4를 분석해보면 1252.83keV 감마선의 컴프턴 엣지값인 1040.61keV가 SiPM peak 전압의 530mV에 해당함을 알 수 있다. 하지만 그래프 4가 매끄럽게 그려지지 않았기 때문에 충분히 오랫동안 데이터를 받을 필요가 있어 보인다.

 또한 530mV 값이 1040.61keV에 해당한다면, 그래프 2에 나타난 595mV에 해당하는 에너지 값인 1168.23KeV가 K-40의 1460KeV 감마선에 의한 컴프턴 엣지라고 추측할 수 있다. 실제로 K-40는 자연 방사선으로 자주 검출되며, K-40의 1460KeV 감마선에 의한 컴프턴 엣지의 실제값은 1242.53keV로 1168.23KeV와 근접하다. 

성과

1. Cosmic Watch 프로젝트를 참고하여 소형 뮤온 검출기 두 대를 손수 제작하였다. 하나는 SD카드 회로 부분을 제외하고 정상 작동하였으며, 나머지 하나는 SD카드 회로와 peak finder 회로 부분을 제외하고 정상 작동하였다.

2. Co-60 방사선원과 Co-60의 컴프턴 엣지값을 이용하여 직접 제작한 뮤온 검출기의 에너지 캘리브레이션을 할 수 있었다. 에너지 캘리브레이션을 통해 검출기에서 나오는 신호의 에너지 스케일을 이해할 수 있게 되었다.

3. 뮤온 검출기의 SiPM 회로 부분을 뽑아서 갈아 끼울 수 있기 때문에 섬광체 부분을 다양한 재료와 모양으로 바꾼 뒤 검출 효율을 비교하는 데 사용할 수 있다.

4. 뮤온 검출기의 섬광체 부분이 매우 작기 때문에 뮤온 신호의 발생 위치를 더 잘 특정할 수 있다. 따라서 다른 검출기의 신호 위치를 켈리브레이션 하는 데 사용할 수 있다.