PreACCESS (Advanced Cosmic-ray Composition Experiment for the Space Station) -CREAM (Cosmic Ray Energetics And Mass) mission is the balloon borne experiment using ULDB (Ultra Long Duration Balloon) capability of the new technology of the NASA to investigate the ultra high energy cosmic rays. It is expected to add new convincing evidences to the previous observations related to the supernova shock model by directly measuring the energies and chemical compositions and abundances of cosmic rays. Based upon supernova shock which is a standard model for the origin of the acceleration of cosmic rays, it has a cutoff energy at $Z\times10^{14} eV$ and foresees the change of compositions around this cutoff. Following these features, CREAM will measure the charges from proton to iron by a timing charge detector (TCD), hodoscope S0/S1 and a silicon charge detector (SCD) and their energies ranging from $10^{12}$ to ＞ $10^{15}$ eV by a transition radiation detector (TRD) and a calorimeter. Among them, Korea ACCESS team is in charge of manufacturing SCD, which is composed of silicon sensor, analogue readout and support mechanical structure. All these sub-parts of SCD are under final test and are ready for production of flight model and integration. Furthermore, the design of analogue readout for SCD using CR1.4 ASIC is the main topic here. It will do qualified analogue processing of signals from a silicon sensor.
일반적으로 우주선(Cosmic Rays)이라고 하면 은하우주선(Galactic Cosmic Rays)을 지칭하고, 이러한 우주선은 특정한 가속 방법과 전파 방법으로 지구표면까지 도달한다. 지상 측정에 의하면 우주선의 에너지는 $10^{21} eV$ 를 넘어서는 것들도 측정되고 있는데, 이는 현재까지 만들어진 가장 높은 에너지의 입자 가속기보다 약 100,000배 이상의 높은 에너지에 해당된다. 그러나 이렇게 높은 에너지를 갖는 우주선에 대한 이해는 많은 질문들을 품은 채 아직까지도 열띤 연구의 대상이 되고 있다. 즉, 우주선의 기원은 어디인가? 그들의 화학적 성분들은 무엇으로 구성되어 있는가? 그리고 어떠한 방법에 의해 가속되는가? 란 3가지 질문이 고에너지 입자 천문학에는 풀어야 할 수수께끼로 앞으로 상당한 연구가 필요로 한 부분이다. 현재까지의 모든 측정된 데이터에 의하면 우주선의 에너지 스펙트럼은 $10^{15} eV$ (무릎)와 $10^{21} eV$ (발목)에서 변화하는 모습을 보여주고, 그 변화는 정확히 멱함수 법칙(power law)를 따르는 것으로 알려져 있다. $10^{15} eV$ 까지의 우주선에 대해서는 현재 초신성(supernova)의 폭발로 인한 가속 모형과 누출 상자 모형(leaky box model)에 의한 전파(Propagation)가 일반적인 표준 이론으로 받아들여지고 있다. 그러나 이 에너지를 넘어서면 또 다른 새로운 모형들이 새로운 물리를 만들어 내고 있으며, 또한 화학적인 성분의 조성도 완전히 다를 것으로 기대되고 있다.
이러한 현재의 연구 동향속에서, 현재까지 많은 실험들이 이루어졌고, 앞으로 이루어질 예정이지만 확실한 것은 우주선의 에너지와 전하량을 측정하여 지금까지 나온 이론들을 확실하게 검증하는 것이 절대적으로 필요하다. PreACCESS-CREAM는 우주선의 에너지($10^{12} ~ ＞ 10^{15} eV$) 와 전하량(양성자~철)을 동시에 직접 측정하는 풍선(balloon) 실험으로, 위의 관점에서 보면 현재까지의 어떠한 실험보다도 대단히 중요한 임무를 가지고 있다. 이는 NASA의 새로운 ULDB 기술을 이용하므로서 지상측정에서 불가능했던 결정적 단점인 화학 성분 측정이 가능하게 되었고, 풍선 또는 인공위성 실험의 단점인 짧은 임무 수행 기간으로 인한 낮은 노출시간의 한계를 동시에 넘어설 수 있게 되었다. 즉, 한 번 비행이 60~100일에 해당되고, 3번에 걸친 연속적인 비행으로 초신성 가속 모형과 누출 상자 모형을 검증하고, 우주선의 구성성분을 구체적으로 밝힐 수 있는 결정적인 자료들을 제공할 것으로 기대되고 있다. CREAM은 위의 과학적 목적과 측정 목적을 이루기 위해 여러가지 검출기를 탑재하게 된다. 우선 전하 측정을 위해서 실리콘 전하 검출기(SCD: 한국 ACCESS 그룹), 타이밍 전하 검출기(TCD: 미국, Pennsylvania State University), 그리고 호도스코프(Hodoscope: 미국, University of Maryland)가 탑재되고, 에너지 측정을 위해 열량계(Calorimeter: 미국, University of Maryland)와 전이 복사 검출기(TRD: 미국, University of Chicago)가 동시에 탑재되어 상호 교정이 가능하게 되었다.
이중에서도 한국의 ACCESS 그룹은 실리콘 전하 검출기의 제작일을 담당하고 있다. 주요한 구성원으로 한국과학기술원, 이화여자 대학교, 그리고 경북대학교가 직접적으로 일을 수행하고 있다. 실리콘 전하 검출기는 실리콘 센서와 아날로그 신호처리 시스템, 그리고 전체적인 지지 골격으로 이루어져 있는데, 본 논문에서는 CR1.4 ASIC이란 특수한 칩을 이용한 아날로그 신호처리 시스템에 대한 연구를 주로 다루었다. 전체적인 각 부분별 원형(prototype)은 이미 제작이 완료되어 모두 마지막 테스트가 거의 이루어진 상황이고, 현재 비행 모델을 제작하기에 이르고 있다. 실리콘 전하 검출기의 최종 조립은 2003년 2월 중순까지 한국에서 이루어지고, 이후로 4월까지 미국 메릴랜드에서 전체적인 CREAM 조립이 이루어질 예정이다. 이후 NASA에서 추가적인 환경실험을 거친 후 같은 해 겨울 남극에서 첫 비행을 시작할 예정이다.
