[논문]교육용 모사 HPGe 검출기 스펙트럼 개발

서경원; 이모성

교육용 모사 HPGe 검출기 스펙트럼 개발
Development of Simulated HPGe Detector Spectrum for Education 원문보기

방사선방어학회지 = Radiation protection : the journal of the Korean association for radiation protection, v.32 no.1, 2007년, pp.9 - 13

서경원 (한국원자력연구소 원자력연수원) , 이모성 (청주대학교 응용과학부)

초록
AI-Helper

원통형 용기에 담긴 액체 혼합선원의 HPGe 검출기 교정용 스펙트럼으로부터 스펙트럼 분석 교육을 위한 모사 스펙트럼을 개발하였다. 모사 스펙트럼은 측정된 스펙트럼으로부터 피크를 분리한 후, 채널별 계수들의 변동이 제거된 스펙트럼을 결합한 것이다. 모사 스펙트럼의 통계적 변동은 Box-Muller 함수로 만들었다. 이 스펙트럼은 18개의 피크를 포함하고 있다. 각 피크의 중심 위치 및 면적 등은 정확하게 정의되었다. 개발된 스펙트럼은 교정용 스펙트럼, 시료 스펙트럼, 백그라운드 스펙트럼 그리고 기하학적 및 동시합성 보정을 위한 스펙트럼이다.

Abstract ▼ AI-Helper

From HPGe calibration spectrum of liquid mixed source in cylindrical vial, we developed simulated spectrum for spectrum analysis education. It is the spectrum that combine peaks separated from measured spectrum. After that, spectrum removed statistical variation of channel counts. Statistical fluctuation of the spectrum is made by Box-Muller function. The spectrum contains 18 peaks. The peak's centroid and area were defined exactly. Developed spectra are calibration spectrum, sample spectrum, background spectrum and spectra for efficiency correction for geometry and cascade coincidence.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 IAEA와 Sanderson이 개발한 스펙트럼의 문제점들을 보완한, HPGe 스펙트럼 분석 교육에 사용하기 위한 여러 스펙트럼 즉 피크가 정확하게 정의된 스펙트럼과, 효율 보정을 위한 스펙트럼을 개발하고자 하였다.

가설 설정

1과 같은 절차를 따랐다. 먼저 교정용 표준 선원의 스펙트럼에서 계단형 백그라운드를 가정하여 스펙트럼 교정용 피크를 분리하였다. 피크가 분리된 스펙트럼에서 통계적 변동과 교정용 피크 이외의 피크를 제거하기 위해 smoothing하였다.

제안 방법

동시합성 보정 교육을 위한 스펙트럼으로 Peak to Total 비 계산에 필요한 ²⁴¹Am, ¹⁰⁹Cd, ¹³⁹Ce, ¹¹³Sn, ⁸⁵Sr, ¹³⁷Cs, ⁶⁵Zn 점 선원 스펙트럼과, 동시합성 스펙트럼으로의 스펙트럼을 측정하였다. 이들 스펙트럼은 가공되지 않은 것이다.
분리한 피크의 크기를 효율에 맞도록 조정한 후 합성하여 교정용 스펙트럼을 제작하였다. 분리한 피크와 면적 그리고 조정된 면적은 Table 1과 같다.
스펙트럼 교육용 모사 스펙트럼을 3종의 상용 스펙트럼 분석 프로그램 Aptec, Genie2000, Gamma Vision으로 분석하였다. 교정 피크들의 중심 위치와 분해능은 세 프로그램 모두에서 각각 0.
스펙트럼에서 백그라운드 방사선에 의한 피크와 계수들의 통계적 변동을 제거하기 위해, 에너지에 따라 스펙트럼 계수의 변화가 일정한 부분에 대해 In(계수)를 In(Energy)의 다항식에 fitting하였다. 다항식에 fitting할 때 육안으로 피크처럼 보이는 부분의 데이터는 제거하였다.
시료용기에서 표준선원의 높이별 스펙트럼은 분리한 피크의 면적에 높이별 피크 효율을 고려하여 조정하였으며, 백그라운드 스펙트럼은 교정 피크들의 평균 효율의 크기만큼 조정하였다. 제작된 스펙트럼은 시료용기에서 각각 교정 선원이 10, 20, 30, 40, 50mm 높이만큼 담겨져 있을 때 측정될 수 있는 스펙트럼 이다.
0keV의 감마선을 방출하는 ⁸⁸Y까지 10개의 핵종이 포함되어 있고, 에너지나 효율 교정에 사용할 피크가 12개 있다. 이 스펙트럼은 90,559초 동안 측정하여, 교정용 피크의 면적이 400,000 counts 이상이 되도록 하였다. 이와 같이 큰 피크 면적이 되도록 한 것은 모사 스펙트럼 제작 시 피크의 크기를 1/4 이상 줄여 피크를 이루는 계수들의 통계적 변동을 1/2 정도 줄이기 위해서였다.
시료용기에서 표준선원의 높이별 스펙트럼은 분리한 피크의 면적에 높이별 피크 효율을 고려하여 조정하였으며, 백그라운드 스펙트럼은 교정 피크들의 평균 효율의 크기만큼 조정하였다. 제작된 스펙트럼은 시료용기에서 각각 교정 선원이 10, 20, 30, 40, 50mm 높이만큼 담겨져 있을 때 측정될 수 있는 스펙트럼 이다.
먼저 교정용 표준 선원의 스펙트럼에서 계단형 백그라운드를 가정하여 스펙트럼 교정용 피크를 분리하였다. 피크가 분리된 스펙트럼에서 통계적 변동과 교정용 피크 이외의 피크를 제거하기 위해 smoothing하였다. 이 스펙트럼의 계수에 Box-Muller 가우스 함수 분포 발생기로 통계적 변동을 주어 백그라운드 스펙트럼으로 하였다.
이 스펙트럼의 계수에 Box-Muller 가우스 함수 분포 발생기로 통계적 변동을 주어 백그라운드 스펙트럼으로 하였다. 한편 분리된 피크들은 효율을 고려하여 그 크기를 조정하고 백그라운드와 결합하여 교정용 스펙트럼과 효율 보정용 스펙트럼을 제작하였다.

대상 데이터

스펙트럼의 측정에는 상대효율이 28%인 HPGe 검출기(Canberra GC2520)를 사용하였다. 이 때 사용한 선원은 액체 혼합선원(Amersham, QCY-58)으로 불감시간은 1% 이하이었다.
스펙트럼의 측정에는 상대효율이 28%인 HPGe 검출기(Canberra GC2520)를 사용하였다. 이 때 사용한 선원은 액체 혼합선원(Amersham, QCY-58)으로 불감시간은 1% 이하이었다. 이 선원에는 59.

데이터처리

피크가 분리된 스펙트럼에서 통계적 변동과 교정용 피크 이외의 피크를 제거하기 위해 smoothing하였다. 이 스펙트럼의 계수에 Box-Muller 가우스 함수 분포 발생기로 통계적 변동을 주어 백그라운드 스펙트럼으로 하였다. 한편 분리된 피크들은 효율을 고려하여 그 크기를 조정하고 백그라운드와 결합하여 교정용 스펙트럼과 효율 보정용 스펙트럼을 제작하였다.

이론/모형

스펙트럼 계수에 통계적 변동을 주기 위해 Box-Muller의 가우스 함수 분포 발생식[12]을 사용하였다. 여기서 X₁과 X₂는 0에서부터 1까지 무작위로 발생하는 소수이며, Y₁은 발생한 값들의 표준편차이다.

성능/효과

교육용 모사 스펙트럼으로 3종의 스펙트럼 분석 프로그램으로 분석한 결과, 피크 탐색 조건의 설정 변화에 따라 피크 탐색에 변화가 생기는 것을 확인하였다. Aptec 프로그램의 경우, Compton Edge를 피크로 인식하기도 하며, 피크의 저 에너지 쪽 계수가 고 에너지 쪽 계수보다 큰 계단형 백그라운드를 갖는 피크의 경우에 피크의 저 에너지 쪽 부분을 불필요하게 피크로 인식하는 경우가 있다.
스펙트럼에서 376keV ~ 508keV의 채널별 계수들은 비교적 일정하다. 이 연구에서 사용한 스펙트럼에서 이 영역의 360 채널의 계수는 1505 〜 1553 counts 범위이었으며, 따라서 계수들의 통계적 변동은 약 38.8 ~ 39.4 counts이다. 이 스펙트럼의 채널별 계수들의 표준 편차와 함수로부터 계산되는 값에 Box-Muller식으로부터 계산되는 값들의 표준 편차는 동일한 39counts이 었다.
이와 같이 큰 피크 면적이 되도록 한 것은 모사 스펙트럼 제작 시 피크의 크기를 1/4 이상 줄여 피크를 이루는 계수들의 통계적 변동을 1/2 정도 줄이기 위해서였다. 피크 에너지를 채널의 2차 함수로 하였을 때 계산되는 피크 에너지의 편차는 0.02%이었으며 , 피크의 FWHM을 채널의 2차함수로 하였을 때 FWHM의 편차는 0.4%이었다. 1332.

후속연구

어떤 스펙트럼 분석 프로그램도 완벽하지는 않으며, 스펙트럼 분석 프로그램에 의한 분석 결과는 사용자의 검토가 필요하다. 그렇게 하기 위해서는 사용자들이 스펙트럼 분석 프로그램의 특성을 잘 이해하여야 하며, 이 연구에서 개발된 교육용 모사 스펙트럼은 스펙트럼 분석 프로그램에 대한 이해에 도움이 될 것으로 판단된다.
본 연구에서 사용한 모사 스펙트럼 개발 과정을 일부 수정하여 ANSI N42에서 요구하는 평가 스펙트럼을 개발하면, 스펙트럼 분석 프로그램들의 피크 탐색, 피크 면적 계산 등의 성능을 평가하는데 사용할 수 있을 것으로 판단되며 , 이 에 대한 연구가 계속 진행 중이다.
혼합 교정 선원 스펙트럼으로부터 계수들의 통계적 변동과 피크를 제거하고, 분리한 교정 피크를 결합하여 제작한 모사 스펙트럼은 측정 스펙트럼과 유사한 피크, 백그라운드, 계수들의 통계적 변동을 가지고 있다. 이 모사 스펙트럼의 피크들은 피크의 중심 위치와 FWHM, 피크 면적 등이 정확하게 정의되어 있어, 스펙트럼 분석 프로그램의 분석 조건을 최적화할 때와 스펙트럼 분석 교육에 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 효율 교정을 위해 시료 용기에 담긴 교정 선원의 높이별 스펙트럼과 Peak to Total 비를 구하기 위한 스펙트럼 들은 geometry 및 동시합성 효과 보정 교육에 활용할 수 있다.

참고문헌 (13)

IAEA. Measurement of radionuclides in food and the environment. TR No.295 1989
Canberra. Genie 2000 Operational Manual. 2002:125
Canberra. Multifit Fitting Parameters Setup. APTEC.HLP, 2002
Parr RM, Houtermans H, Schaerf J. The I.A.E.A. intercomparison of methods of processing Ge(Li) gammaray spectra - preliminary report, in 'Computers in Activation Analysis and Gamma Ray Spectrometry. I.A.E.A. CONF- 780421 1979
Sanderson CG. An evaluation of commercial IBM PC software for the analysis of low level environmental gamma-ray spectra. Environment International 14 1988:379-384

상세보기
http://www.nucleartraining.co.uk/program.htm, Nuclear Training Services Ltd
Kern J. Computer analysis of nuclear spectra and ${\gamma}-energy$ standards. Nucl. Instr. and Meth. 1970;79:233-239

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Jorch HH and Campbell JL. On the analytic fitting of full energy peaks from Ge(Li) and Si(Li) photon detectors. Nucl. Instr. and Meth. 1977;143:551-559

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Teoh W. Cutipie - A computer program to analyze gamma-ray spectra. Nucl. Instr. and Meth. 1973;109:509-513

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Dojo M. A shape function of photopeaks for gamma-ray spectrum analysis with Ge(Li) detectors. Nucl. Instr. and Meth. 1974;115:425-429

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Canberra. Genie 2000 Operational Manual. 2002:116-117
Knuth DE. The Art of Computer Programming. Addision Wesley 1981:117-127
Gilmore G and Hemingway JD. Practical Gamma-Ray Spectrometry. John Wiley & Sons 1955:167

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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