[3] 검출기 하드웨어 제작

[3] 검출기 하드웨어 제작

detector의 일반적인 기본 구조

Faraday cage - Scintillator + Corona ring + Light Guide - PMT - Amp - etc..

Faraday cage	X
Scintillator	O
Corona ring	△
Light Guide	X
PMT	O
Amp	O

표1.detector에서 실제로 구성한 부분

설계를 내가 한게 아니여서 정확한 이유는 모르지만 Faraday cage 와 Light Guide는 꼭 필요한 부분이 아니기 때문에 사용 안 한 걸로 알고 있다.

Corona ring은 사용했다고 하기에는 모호하여 세모로 표시하였다.

(※아래 작성된 내용 중 이론적, detector의 역할을 설명한 내용은 정확하지 않을 수 있습니다.)

Faraday cage는 시료에서 나온 이차전자를 detector로 유도하는 역할을 하고 Light Guide는 Scintillator가 만들어낸 광자를 PMT로 유도하는 역할을 하는데 우리가 현미경에서는 detector와 시료와의 거리가 꾀 가깝고 공간이 협소하여 Faraday cage를 사용하지 않았고, Scintillator와 PMT를 바로 연결하여 Light Guide를 사용하지 않았다.

1.Scintillator

초기 아마존에서 구입한 Scintillator

 

그림1-1.Scintillator 케이스 외관 & 내부

 

그림1-2.Scintillator

scintillator의 외관은 일반적인 유리에 하얀 가루가 있는 모양이었다.

하얀 가루는 형광물질이라는데 팀원 한명이 꺼내면서 닦아내 버렸다. 이게 없으면 못 쓴다고 한다.(형광물질이 닦여진 scintillator를 소장님께 보여드리니 못 쓰겠다고 하셨다)

scintillator는 ITO전극이 이차전자를 끌어 당기고 전자를 광자로 바꾸어 주는 역할을 하는데 아마 이 형광물질이 이차전자를 광자로 바꾸어 주는 역할인 것 같다.

그림1-3.Scintillator 구조

스터디 자료에 있는 scintillator 구조는 그림1-3과 같이 scintillating powder, ITO electrode, galss 세 부분으로되어 있는데 구매한 scintillator가 위 그림과 같은 구조인지 알아보려고 관찰해본 결과 scintillating powder가 형광물질인 것 같고 ITO electrode가 있는지 옆에서 보니 층이 나누어져 있는 것 같긴한데 멀티미터로 도통 테스트해본 결과 도통되는 곳은 없었다.

Corona ring을 통해 ITO electrode에 1kV정도를 걸어서 이차전자를 끌어당기게 되는데 구매한 scintillator의 ITO electrode 존재여부, 위치를 알지 못하지만 어차피 형광물질을 닦아내어 사용하지 못하기 때문에 코셈에서 사용하는 scintillator를 받아서 사용하였다.

그림1-4.코셈에서 받은 scintillator

코셈에서 받은 scintillator는 구매한 scintillator보다 얇고 형광물질이 가루형태로 묻어 있지 않고 메탈로 도핑되어 있었다. 소장님 말씀으로는 메탈에 전압을 걸어주면 된다고 하셨다. 아마도 이 scintillator는 ITO electrode가 따로 없고 형광물질과 메탈을 함께 유리 표면에 도핑한 것이 아닐까 추측해본다.

이 scintillator와 light guide와 연결해주고 전압을 걸어주는 역할을 corona ring이 해주는데 light guide는 사용하지 않으므로 PMT와 바로 연결하고 메탈에 전압을 걸어줄 수 있는 corona ring 과 같은 역할을 해 줄 무언가가 필요했다.

소장님의 아이디어로 구리 테이프와 알루미늄 호일을 이용하여 scintillator와 PMT를 고정시키고 scintillator에 전압을 걸어주기로 하였다.

그림1-5.corona ring(?) 기본 구상도

그림1-7.단면도

처음에는 구리 테이프만으로 scintillator를 고정하고 구리 테이프와 scintillator의 메탈 부분이 맞닿아 있기 때문에 구리 테이프쪽으로 1kV를 걸어주려고 하였다.

그런데 구리 테이프의 접착면이 접착제로인해 전기가 통하지 않아 안쪽에는 알루미늄 호일을 붙이기로 하였다. 호일만으로 고정시키지 않은 이유는 호일이 너무 얇고 힘이 없어 고정시키기 힘들었기 때문이다. 구리 테이프도 구리 테이프 중에 두께가 조금 두꺼운 구리 테이프였다.

 

그림1-8.corona ring(?)

그림1-8과 같이 PMT에 얹힌 다음에 절연 테이프로 PMT와 고정시켰다.

구리 테이프 안쪽 접착면에 알루미늄 호일을 붙이고 그 호일에 고전압을 걸어주기 때문에 구리 테이프의 접착제로 호일과 테이프가 서로 절연이 되어야하지만 서로 붙이다 조금이라도 서로 닿는 부분이 있으면 도통된다. 즉, 구리 테이프도 고전압이 걸릴 수 있다(안 닿게 하려고 했는데 몇 번 만들때마다 닿았음). 구리 테이프에 전압이 걸리면 scintillator에만 이차전자가 가는 것이 아니라 구리 테이프 쪽으로 가기 때문에 scintillator 주변의 구리테이프는 절연 테이프로 절연해 주었다.

2.PMT

코셈에서 사용하는 hamamatsu사의 R6094를 사용하였다.

PMT안으로 다른 빛이 들어가면 안되기 때문에 그림2-3과 같이 절연 테이프로 감쌌다.

그림2-1.R6094 PMT(사진은 R6095로 되어있지만 모양은 똑같다)

그림2-2.PMT 소켓

그림2-3.PMT & Scintillator

3.Amp

PMT를 통해 나오는 전압은 매우 작은 전압이기 때문에 증폭시켜 주어야 한다.

처음에는 전압분배, 증폭회로도 직접 만들었지만 사용하는 하드웨어가 다 바뀌면서 코셈에서 사용하는 amp를 받아 사용하였다. 아마 시중에 판매하는 하드웨어가 아니라 코셈에서 설계하고 만든 amp인 것 같았다.

8-Lead Plastic SO 형태의 세 개의 opamp를 이용하여 반전 증폭하게 설계되어 있었다. 그래서 output 신호가 반전되어 나와 실제로 adc로 신호를 넣기 전에 opamp를 한 개 더 달아 한 번 더 반전 시켜 adc칩에 신호를 넣어 주었다.

그림3-1.코셈에서 사용하는 preamp 모듈

커넥터는 +15V,-15V,GND,SIGNAL로 되어있다. +15,-15V는 opamp 작동 전압이고 SIGNAL로 opamp의 output신호가 나온다.

그림3-2.코셈에서 사용하는 pre-amp 모듈(사진이 없어서 그림으로 그림)

4.etc

amp를 통해 증폭된 신호는 ADC칩을 통해 8bit 디지털 값으로 바뀌고 이 8bit 값은 라즈베리파이로 병렬로 입력된다.

그림4-1을 보면 pre-amp에서 나온 신호를 반전시켜주는 opamp가 있고, ADC칩, ADC칩을 동작시키는 크리스탈, ADC칩이 5V에서 동작하고 라즈베리파이는 3.3V로 동작하기 때문에 level shifter(level translation)이 있다.

그림4-1.ADC회로

5.전체 조립

그림5-1.PMT조립

  

그림5-2.전체 고정한 모습