입자 검출기
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1. 개요
입자 검출기는 입자의 비적을 관찰하거나 기록하여 입자를 검출하는 장치이다. 초기에는 윌슨 안개상자, 거품상자, 사진건판 등이 사용되었으며, 현재는 이온화 검출기, 섬광 검출기, 체렌코프광 검출기 등 다양한 종류가 활용된다. 입자 및 핵물리학 연구, 방사선 방호, 우주 공간에서의 입자 검출 등 다양한 분야에서 사용되며, 현대 입자 물리학 실험에서는 여러 종류의 검출기를 조합한 밀폐형 검출기 방식이 주로 사용된다. 또한, 이론 물리학에서도 입자 검출기 모델이 중요한 역할을 하며, 양자장 이론의 개념을 정의하는 데 기여한다.
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| 입자 검출기 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 기본 정보 | |
| 유형 | 입자를 감지, 추적 및/또는 식별하는 장치 |
| 사용 목적 | 이온화 입자 감지, 추적 및 식별 |
| 감지 방법 | 이온화를 일으키는 입자를 통해 생성되는 효과 감지 |
| 작동 원리 | |
| 핵심 원리 | 입자가 물질을 통과할 때 생성되는 이온화 또는 여기를 이용 생성된 이온 또는 여기된 전자를 감지하여 입자 특성을 파악 |
| 주요 유형 | 기체 이온화 검출기 섬광 검출기 반도체 검출기 체렌코프 검출기 전이 복사 검출기 열량계 |
| 보조 시스템 | 전기장 또는 자기장을 사용하여 입자 경로를 제어 데이터 수집 시스템으로 신호 처리 방사선 차폐를 통해 외부 방사선 영향 최소화 |
| 주요 응용 분야 | |
| 핵 및 입자 물리학 | 기본 입자 및 상호 작용 연구 |
| 의학 | 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 방사선 치료 |
| 공업 | 비파괴 검사 재료 분석 |
| 환경 감시 | 방사능 오염 감시 |
| 주요 검출기 | |
| 기체 이온화 검출기 | 비례 계수기 가이거 계수기 다중선 비례 계수기 드리프트 챔버 |
| 섬광 검출기 | 무기 섬광체 유기 섬광체 |
| 반도체 검출기 | 실리콘 검출기 게르마늄 검출기 |
| 체렌코프 검출기 | 링 이미징 체렌코프 검출기 |
| 열량계 | 전자기 열량계 강입자 열량계 |
| 기타 | |
| 참고 | 입자 가속기와 함께 사용 |
2. 역사적 배경
초기 입자 검출기는 주로 전리 작용을 이용했다. 가스 이온화 검출기와 반도체 검출기가 가장 일반적인 이온화 검출기이며, 섬광 검출기도 널리 사용되었다. 이 외에도 체렌코프광 및 전이 방사선과 같이 완전히 다른 원리를 적용한 검출기들도 개발되었다.
2. 1. 초기 입자 검출기
윌슨 안개상자(확산상자)는 과포화된 수증기 층을 이용하여 입자가 지나간 흔적을 시각화하는 장치이다. 이 장치를 통과하는 입자는 마치 비행기가 하늘에 응결흔을 남기는 것과 유사한 구름 흔적을 만들어낸다. 거품상자와 사진건판(핵유제)도 초기 입자 검출기이다.3. 입자 검출기의 종류
다양한 원리를 이용한 입자 검출기가 개발되어 사용되고 있다. 지금까지 발명되어 사용된 많은 검출기는 이온화 검출기(가스 이온화 검출기와 반도체 검출기가 가장 일반적임)와 섬광 검출기이지만, 체렌코프광 및 전이 방사선과 같이 완전히 다른 원리가 적용된 다른 검출기들도 있다.
'''역사적 예시'''
- 거품상자
- 윌슨 안개상자(확산상자)
- 사진건판 (핵유제)
3. 1. 방사선 방호용 검출기
다음과 같은 유형의 입자 검출기는 방사선 방호에 널리 사용되며, 원자력, 의료 및 환경 분야에서 일반적으로 대량 생산된다.- 선량계
- (휴대용 선량계로 사용될 때) 전위차계
- 가스 이온화 검출기
- * 가이거 계수기
- * 이온화 상자
- * 비례 계수기
- 섬광 계수기
- 반도체 검출기
3. 2. 입자 및 핵물리학 연구용 검출기
소립자의 성질 및 상호작용 연구에 사용되는 검출기는 다음과 같다.
- '''가스 이온화 검출기'''
- * 이온화 상자
- * 비례 계수기
- ** 다선 비례 계수기
- ** 표류 상자
- ** 시간 투영 상자
- ** 마이크로패턴 가스 검출기
- * 가이거-뮬러 관
- * 스파크 상자
- '''고체 검출기'''
- * 반도체 검출기 및 CCD를 포함한 변형
- ** 실리콘 정점 검출기
- * 고체 핵 비적 검출기
- * 체렌코프 검출기
- ** 링 이미징 체렌코프 검출기 (RICH)
- * 섬광 계수기 및 관련 광전자 증배관, 광다이오드 또는 애벌랜치 광다이오드
- ** 루카스 셀
- ** 시간차 검출기
- * 전이 방사선 검출기
- 칼로리미터
- 마이크로채널 플레이트 검출기
- 중성자 검출기
현대 입자가속기용으로 설계된 검출기는 크기와 비용 면에서 모두 거대하다. 검출기가 입자를 계수하지만 에너지 또는 이온화를 분해하지 않는 경우 "계수기"라는 용어가 "검출기" 대신 자주 사용된다. 입자 검출기는 또한 일반적으로 이온화 방사선(고에너지 광자 또는 심지어 가시 광선)을 추적할 수 있다. 주된 목적이 방사선 측정인 경우 "방사선 검출기"라고 하지만, 광자도 (질량이 없는) 입자이므로 "입자 검출기"라는 용어도 여전히 정확하다.
4. 현대 입자 검출기
현대 입자 물리학 실험에서는 여러 종류의 검출기를 양파처럼 겹겹이 배치하여 입자의 모든 정보를 측정하는 밀폐형 검출기를 사용한다. 현대 입자가속기용으로 설계된 검출기는 크기와 비용 면에서 모두 거대하다. 검출기가 입자를 계수하지만 에너지 또는 이온화를 분해하지 않는 경우 "계수기"라는 용어가 "검출기" 대신 자주 사용된다. 입자 검출기는 또한 일반적으로 이온화 방사선(고에너지 광자 또는 심지어 가시 광선)을 추적할 수 있다. 주된 목적이 방사선 측정인 경우 "방사선 검출기"라고 하지만, 광자도 (질량이 없는) 입자이므로 "입자 검출기"라는 용어도 여전히 정확하다.
5. 주요 입자 가속기 및 실험
전 세계적으로 여러 입자 가속기 및 실험이 진행되고 있다. 주요 입자 가속기는 다음과 같다.
- CERN
- * LHC
- * LEP
- ** 알레프
- ** 델피
- ** L3
- ** 오팔
- * SPS
- ** 콤파스 실험
- ** 가르가멜(Gargamelle)
- ** NA61/SHINE
페르미랩, DESY, BNL, SLAC, 코넬, BINP 등에서도 다양한 실험이 진행되었거나, 진행 중이다.
5. 1. 가동 중인 실험
| 연구소 | 가속기 | 검출기 |
|---|---|---|
| CERN | LHC | CMS, ATLAS, ALICE, LHCb |
| 페르미랩 | 테바트론 | CDF, D0 |
| 뮤2이(Mu2e) | ||
| DESY | 헤라 | H1, 헤라-B(HERA-B), 헤르메스(HERMES), 제우스(ZEUS) |
| BNL | RHIC | 페닉스(PHENIX), 포보스(Phobos), STAR |
| SLAC | PeP-II | 바바(BaBar) |
| SLC | SLD | |
| 코넬 | CESR | 클레오(CLEO), CUSB |
| BINP | VEPP-2M 및 VEPP-2000 | ND, SND, CMD |
| VEPP-4 | KEDR | |
| 캘리포니아 대학교 어바인 | MECO |
5. 2. 건설 중인 실험
국제 선형 충돌기 (ILC)는 칼리체 (Calorimeter for Linear Collider Experiment) 실험을 진행 중이다. 국제 선형 충돌형 가속기도 CALICE 실험에 참여하고 있다.5. 3. 가속기 외 실험
남극뮤온 및 중성미자 검출기 배열(AMANDA), 극저온 암흑물질 탐색(CDMS), 슈퍼-카미오칸데, 제논 등의 실험이 있다. 특히 슈퍼-카미오칸데 실험에는 한국 연구진이 검출기 성능 향상 및 데이터 분석에 참여했다.6. 우주 공간에서의 입자 검출
알파 자기 분광계 (Alpha Magnetic Spectrometer), 다르크매터 입자 탐색기 (DArk Matter Particle Explorer), 페르미 감마선 우주 망원경 (Fermi Gamma-ray Space Telescope), 주피터 고에너지 입자 검출기 (Jupiter Energetic-particle Detector Instrument) 등은 인공위성이나 우주 탐사선에 탑재되어 우주 입자 연구에 활용된다.
7. 이론적 모델
입자 검출기의 실험적 구현 외에도, 입자 검출기의 이론적 모델은 이론 물리학에서도 매우 중요하다. 이러한 모델은 국소적 비상대론적 양자 시스템이 양자장에 결합된 것을 고려한다.[1] 비상대론적 양자 시스템이 들뜬 상태에서 측정될 때 입자를 검출했다고 주장할 수 있기 때문에 입자 검출기라는 이름이 붙었다.[2][3] 문헌에 처음 등장한 입자 검출기 모델은 1980년대 W. G. 언루(W. G. Unruh)가 블랙홀 주변의 양자장을 탐색하기 위해 상자 속 입자를 도입한 것이다.[2] 그 후 얼마 지나지 않아 브라이스 드윗(Bryce DeWitt)은 모델을 단순화하여[4] 언루-드윗 검출기(Unruh-DeWitt detector) 모델을 제시했다.
이론 물리학에 대한 응용 외에도, 입자 검출기 모델은 원자를 빛-물질 상호작용을 통해 양자 전자기장의 검출기로 사용할 수 있는 양자 광학과 같은 실험 분야와 관련이 있다. 개념적인 측면에서 입자 검출기는 또한 점근 상태나 양자장 이론의 표현에 의존하지 않고 입자의 개념을 공식적으로 정의할 수 있게 해준다. M. 스컬리가 말했듯이, 작동적인 관점에서 "입자는 입자 검출기가 검출하는 것"이라고 말할 수 있다.[5] 이는 본질적으로 입자를 양자장의 여기의 검출로 정의한다.
참조
[1]
논문
Wavepacket detection with the Unruh-DeWitt model
https://link.aps.org[...]
2013-03-25
[2]
논문
Notes on black-hole evaporation
https://link.aps.org[...]
1976-08-15
[3]
논문
What happens when an accelerating observer detects a Rindler particle
https://link.aps.org[...]
1984-03-15
[4]
논문
General Relativity – An Einstein Centenary Survey
http://dx.doi.org/10[...]
1980-05-01
[5]
논문
The Time-Dependent Schrödinger Equation Revisited: Quantum Optical and Classical Maxwell Routes to Schrödinger's Wave Equation
https://doi.org/10.1[...]
Springer
2022-08-19
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