초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
한국표준과학연구원에서 차세대 정밀 측정 표준을 위해 연구해 온자기양자센서 (MMC) 저온검출기 시스템에 mK 영역의 양자 금속열 물성 특성을 갖는 전방위 4π 흡수체의 calorimetric 측청 기법을 결합하여 핵붕괴 관련 기본 데이터 측정을 위한 “방사선 표준기”를 EU 연구 기관과 공동으로 개발하고자 함
◼ 전체 내용
o 낮은 방사능 에너지 영역에 특화된 자기양자센서 개발
- 에너지 분해능(E/ΔE) 2000 이상, 20 eV~100 keV 영역 특화된

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
한국표준과학연구원에서 차세대 정밀 측정 표준을 위해 연구해 온자기양자센서 (MMC) 저온검출기 시스템에 mK 영역의 양자 금속열 물성 특성을 갖는 전방위 4π 흡수체의 calorimetric 측청 기법을 결합하여 핵붕괴 관련 기본 데이터 측정을 위한 “방사선 표준기”를 EU 연구 기관과 공동으로 개발하고자 함
◼ 전체 내용
o 낮은 방사능 에너지 영역에 특화된 자기양자센서 개발
- 에너지 분해능(E/ΔE) 2000 이상, 20 eV~100 keV 영역 특화된 MMC센서 설계
- MMC 구성 요소들을 저에너지 방사선 검출기 설계 값에 맞게 기존 및 새로 개발될 기술을 이용 개발: 저 자기 이온 농도의 Ag(Au):168Er 센서 물질 합성, 낮은 인덕턴스 및 높은 임계 전류를 갖는 Nb 초전도 meander, 정전기에 강한 금속 박막 heater, 균일한 SiOx 부도체 박막, 전기 증착 법 활용 금속 열화 층, 에너지 교정 용 펄스 열에너지 생성 소자
- MMC 구성 요소 집적화를 위한 팹 공정 연구: 50 개 자기양자센서 칩을 포함한 3 인치 마스크 15 장 이상 포함된 포토 리소그래피 공정, 각 공정 후 소자 요소 특성 평가
- 제작된 MMC 특성 평가: 액체 헬륨 4 K에서 소자 각각 부분의 열 및 전기적인 평가, 표준 에너지 source을 통한 검출기 노이즈 특성 및 에너지 분해능 평가
o 절대 방사능 및 핵붕괴 고유 에너지 측정을 위한 calorimetric 검출 기법 연구
- 방사능 원자 붕괴 때 발생 전체 에너지(Q) 및 event을 잃지 않는 측정을 위해 방사능 시료를 금속 포일로 전 방위로 쌓아 Q를 열로 전환하는 전방위 4π 흡수체: 나노 기공 및 구조체 표면을 갖는 Au 포일 제작, Au 포일의 열적인 결합 및 mK 영역 열전달 현상 연구, 모든 방사선 입자 흡수와 최소 열용량의 상반 관계 최적화 시뮬레이션
o 방사선 표준기 성능 평가 및 상호 인증
- 검출기 성능 평가: 표준 선원 스펙트럼 측정을 통한 기존 데이터 및 계산들과 비교를 통해 방사선 검출기로써 성능 평가
- EU 표준 기관과 검출기의 측정 불확도를 산출하여 주요 베터 붕괴 핵종 데이터를 BIPM 핵 데이터에 등록함으로써 방사능 표준기확립
◼ 1년차
ㅇ 목표 : 검출기 설계 및 요소 기술 개발
ㅇ 내용 :
- 전사 묘사 결과를 기반으로 저 에너지 방사능 측정용 MMC 설계
- 유도 가열 및 아크 방전을 결합한 방식으로 Ag:Er 센서 물질 합성 및 개발
- 센서를 mK 영역에서 수 eV 에너지 정확도로 교정하기 위해 열발생 용 정밀 저항 및 펄스 전류 개발 및 분석
◼ 2년차
ㅇ 목표 : 센서 제작 및 검출기 흡수체 제작
ㅇ 내용 :
- 전산 묘사 결과를 기반으로 설계된 MMC 주요 요소들의 3 인치 웨이퍼 공정 개발
- 흡수체 용 μm 두께 박막 제작 용 도금 장치 제작
- Ag:Er 센서 부분에 흡수체 도금을 위한 공정 연구
◼ 3년차
ㅇ 목표 : 검출기 성능 평가 및 방사능 표준기 검증
ㅇ 내용 :
- 알파 선원을 이용 Ag:Er 기반으로 제작된 MMC 신호의 시간 함수 및 에너지 분해능 측정
- 표준 방사능 시료를 이용 방사능 데이터를 측정하고 측정 불확도를 산정하고 공동 연구자들과 데이터 상호 비교

□ 연구개발성과
- Metallic magnetic calorimeter(MMC) 저온검출기의 기존 센서 물질 Au:Er를 대체는 Ag:Er 합금 합성 방법을 개발하였다. 합성 된 Ag:Er는 산소 오염이 극미한 순수한 합금이며, 기존의 Au와 다르게 Ag 핵이 전기사중극자를 갖지 않는 관계로 mK 온도 영역에서 자기열물성이 저온검출기에 더 적합하다. Ag:Er 합금은 아직 상용화되어 있지 않으며, MMC 공정 제작에서 훨씬 경제적이다.
- MMC chip 제작 12 단계 공정에서 나타나는 문제들을 대부분을 해결하여 수율을 95 % 근처 도달하였다.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
- 절대 방사능 측정 및 핵 붕괴 기본 데이터 획득 등 방사능 측정 표준 업무에 활용
- MMC 저온 검출기와 4π 흡수체를 결합한 핵 Q-분광법을 환경 방사능 측정 활용
- 약력(weak force) 관련된 베타 붕괴 측정 등 기초 과학 측정 방법 제공

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행내용 ... 9
• 1) MMC 검출기 설계 ... 9
• 2) MMC 센서 물질 합성 ... 10
• 3) MMC 제작 공정 연구 ... 17
• 4) 흡수체 연구 ... 22
• 5) MMC 소자 mK 저온 열 물성 평가 ... 25
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 31
• 1) 연구 수행 결과 ... 31
• 2) 목표 달성 수준 ... 38
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 38
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 39
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 39
• 참고문헌 ... 41
• 끝페이지 ... 42