CsI:Tl 단결정의 광특성 및 펄스 구별 최적화 연구

임상혁, 김홍주, P.Q Vuong, New Physics: Sae Mulli 70, 575 (2020).

현대 천문학 관측은 가시광 영역뿐만 아니라 다양한 파장대의 빛, 입자 또는 중력파의 영역에서도 많은 관측이 수행되고 있다. 이로써 우리는 우주에서 일어나는 새로운 현상들을 발견하고 우주에 대한 새로운 사실들도 알아낼 수 있다. 그중 우주에서 감마선을 방출하는 다양한 현상들은 많은 관심을 갖고 활발히 연구되고 있다.

감마선을 관측하기 위해서는 많은 경우에 섬광체(scintillator)라는 것을 이용한다. 일반적으로 섬광체에서 나오는 섬광의 감쇄시간은 입사된 방사선의 종류와 에너지에 따라 달라지게 되는데, 이를 이용하여 섬광의 감쇄시간 모양을 분석하여 어떤 종류의 방사선이 입사되었는지 결정하는 것을 펄스 구별(pulse discrimination)이라고 한다.

우주에서 오는 감마선을 효율적으로 관측하기 위해서는 다른 우주선 백그라운드를 제거하여야 하는데, 이번 연구에서는 우주선 중의 하나인 알파입자와 감마선을 효율적으로 구별하기 위한 연구를 진행하였다.

이를 위해 먼저 CsI:Tl 섬광 단결정에 ²⁴¹Am과 ¹³⁷Cs를 이용해 각각 알파입자와 감마선을 입사하여 그에 대한 단결정의 감쇄시간 특성을 연구하였다.

알파와 감마선을 구별하기 위하여 세 가지 방법(평균시간법, 전하적분법, 최적필터링법)을 적용하여 연구를 수행하였다. 먼저 각 방법마다 최적의 조건을 찾아 세 방법 중 최적의 조건에서 구별이 가장 잘되는 조건을 찾았고, CsI:Tl에 들어오는 알파입자와 감마선을 가장 효율적으로 구별하기 위한 방법은 최적필터링 방법임을 알아냈다.[그림 참조]

따라서 우주에서 오는 감마선을 관측할 때, 이 방법을 이용하여 알파입자에 의한 백그라운드를 제거할 수 있을 것이고, 비슷한 방법으로 양성자 및 중이온 우주선의 백그라운드를 제거할 수 있을 것이다.

알칼리 루비듐 원자의 닫힌 전이선의 펌프광 세기 및 온도 의존성 연구

정정연, 이상록, 문걸, New Physics: Sae Mulli 70, 625 (2020).

알칼리 원자의 초미세 구조를 정확히 관측하기 위해 1970년대 초 원자 물리학자들은 다양한 알칼리 원자들에 대한 포화흡수분광학(saturation absorption spectroscopy) 및 편광분광학(polarization spectroscopy) 방법을 개발하였다. 이러한 분광학 방법들을 통해 원자의 주요 공명 흡수선에 레이저 주파수를 안정화하여 원자를 냉각 및 포획하는 자기 광학적 포획(magneto-optical trap)에 활용되었으며, 편광분광학신호와 유사한 분산 신호를 가지며, 더 안정적이고 더 높은 신호대잡음비(S/N)를 제공하는 분광학 방법들이 연구되어 왔다. 

(a) ⁸⁵Rb 닫힌 전이선 분광신호 진폭. (b) ⁸⁷Rb 닫힌 전이선 분광신호 진폭.

그 예로 주파수변조 분광학(frequency modulation spectroscopy), 이색성 원자 증기 레이저 잠금(dichroic atomic vapour laser lock), 변조전달 분광학(modulation transfer spectroscopy) 등 다양한 도플러제거 분광학 방법들이 연구되어 왔으며, 현재까지도 레이저 주파수 안정화 성능을 향상시키기 위한 다양한 분광학 신호들의 최적화 조건을 찾기 위한 연구가 수행되고 있다.

본 논문은 편광분광신호의 최적화 안정화조건에 대한 조사를 위해 루비듐 동위원소 ⁸⁵Rb와 ⁸⁷Rb의 닫힌 전이선에 해당하는 편광분광신호의 펌프광 세기 및 온도 의존성에 대해 연구하였다. 지금까지 보고되지 않은 흥미로운 결과는 두 동위 원소에 대한 편광분광신호의 온도에 따른 의존성 차이가 초미세구조 에너지 준위들 간의 에너지 간격의 차이로 인해 발생한다는 것이다. 두 동위원소의 에너지 간격 차이로 인해 닫힌 전이선 바로 옆에 있는 cross-over 분광신호의 온도 의존성에 따른 선폭의 증가로 인해 닫힌 전이선의 신호와 겹치게 되어 진폭에 영향을 주는 것을 관측하였고, 동일한 실험조건에서 온도변화에 따른 편광분광신호진폭의 변화 경향성에 차이가 있음을 관측하였다 [그림].