다중소자 단일체 HPGe 검출기 개발 및 성능 평가

초록

본 논문은 유럽 LEAPS‑INNOV 프로젝트에서 개발한 다중소자 단일체 고순도 게르마늄(HPGe) 검출기의 최초 시제품을 소개한다. 5–100 keV 범위의 하드 X‑레이를 20–250 kcps/mm²의 높은 카운트 레이트로 측정할 수 있도록 설계되었으며, 실험실 및 ESRF BM05 빔라인에서의 광학·전기적 특성을 상세히 평가한다. 센서 구조, 전자 프론트‑엔드(TETRA ASIC), 냉각·진동 제어, 에너지 해상도(≈180 eV FWHM at 5.9 keV), 교차톤(crosstalk) 억제, 그리고 결함 깊이 추정 모델까지 포괄적인 결과를 제시한다.

상세 분석

이 검출기는 20 mm 정사각형, 4.1 mm 두께의 p‑type 고순도 게르마늄 블록을 사용해 10개의 소자를 단일 체내에 배치한 monolithic 구조를 채택하였다. 중앙의 정육각형 픽셀과 주변의 사다리꼴·링형 픽셀은 각각 20 mm² 면적을 갖으며, 전극 간 절연 저항이 10 TΩ에 달해 전하 누설을 최소화한다. 전압은 +33 V에서 완전 소거가 가능하나, 실험에서는 +75~+300 V 범위에서 동작시켜 전계 강화를 통한 전하 이동 속도 향상을 확인하였다. 전류는 +100 V에서 1 pA 이하로 매우 낮아 냉각 온도 77 K에서 열 잡음이 억제된다. 전자 프론트‑엔드는 4채널 CSA(TETRA ASIC)를 3개 병렬로 사용해 10채널을 구현했으며, 게인 설정(저·중·고)별 피드백 커패시턴스가 29, 58, 174 fF로 조정 가능하다. 실험실 테스트에서 상승 시간은 19–23 ns, ENC는 1 µs 피크 타임에서 36–45 e⁻, 10 µs에서는 29–35 e⁻로 사양을 만족한다. 또한, 스팀링 사이클 크라이오쿨러와 다중 진동 감쇠 구조를 도입해 가속도 0.04–0.07 m/s²(50 Hz 이상) 수준으로 제한했으며, 진공은 2 × 10⁻⁷ mbar 이하를 유지한다. 실험실에서 ⁵⁵Fe 소스로 5.9 keV X‑레이를 조사한 결과, 편향 전압이 280 V 이상일 때 평균 상승 시간이 42 ns까지 단축되고, 전압-이득 비율은 1.99–2.06 mV/keV 수준을 보였다. 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 분석에서는 100 Hz~50 MHz 구간에서 저주파 잡음이 최소화되고, 인듐 필름을 이용한 접촉 개선이 고주파 노이즈를 15 % 이하로 억제함을 확인했다. 플루오레선스 측정에서는 5 mm²·20 mm² 픽셀 모두 180 eV(FWHM) 이하의 에너지 해상도를 유지했으며, 카운트 레이트 250 kcps/mm²까지도 피크 폭이 크게 확대되지 않았다. 마이크로빔(≤10 µm) 스캔 실험에서는 픽셀 간 교차톤이 0.2 % 이하로 억제됐으며, 결함이 의심되는 영역에서 상승 시간이 비정상적으로 길어지는 현상을 관찰했다. 이를 기반으로 제시된 현상학적 모델은 결함 깊이를 전압 의존적 상승 시간 변화량으로 추정해, 0.5–1.2 mm 수준의 결함이 존재함을 밝혀냈다. ESRF BM05 빔라인에서 20–50 keV 단색 X‑레이를 이용한 현장 테스트에서는 실험실 결과와 일치하는 에너지 선형성 및 효율을 확인했으며, 직접 빔 투사 시 dead‑time이 5 % 이하로 유지되는 것을 입증했다. 전반적으로 이 검출기는 높은 효율, 우수한 에너지 해상도, 빠른 신호 처리, 그리고 저교차톤·저노이즈 특성을 동시에 달성한 최초의 다중소자 HPGe 시스템으로, 차세대 하드 X‑레이 분광 및 비동시 다중 샘플 분석에 적합한 플랫폼임을 보여준다.