본 연구에서는 이중 모드 컴프턴 카메라의 측면 흡수부 개발을 위해 CsI(Tl) 섬광체에 실리콘 광다이오드를 결합한 섬광 검출기를 제작하였고, 이를 위한 신호처리회로를 설계 및 제작하였다. 개발된 신호처리회로는 에너지를 결정하는 파트와 타이밍을 결정하는 파트로 구성되어 있으며, 트리거 신호를 발생시키기 위해 상승 에지 선별기 및 TTL-to-NIM 로직 변환기를 포함하도록 개발하였다. 검출기와 초단의 신호처리회로(front-end electronics, FEE)는 AC 커플링 구조로 구성하였다. FEE의 잡음 특성은 전체 시스템의 성능에 크게 기여하므로 설계 시 고려해야 할 몇 가지 조건들에 대해 논의하였다. 이후 제작된 감마선 검출 시스템의 에너지 분해능 및 시간 분해능을 결정하였다. 평가된 에너지 분해능은 662 keV 피크와 511 keV 피크에 대해서 각각 12.0% 및 15.6% FWHM이었다. 시간 분해능은 59.0 ns로 평가되었다. 본 연구를 통해 제작된 섬광 검출기 및 신호처리회로의 성능이 기대에 다소 미치지 못하므로 결론에서는 성능 향상을 위한 추가 연구 방향에 대해 논의하였다.
본 연구에서는 이중 모드 컴프턴 카메라의 측면 흡수부 개발을 위해 CsI(Tl) 섬광체에 실리콘 광다이오드를 결합한 섬광 검출기를 제작하였고, 이를 위한 신호처리회로를 설계 및 제작하였다. 개발된 신호처리회로는 에너지를 결정하는 파트와 타이밍을 결정하는 파트로 구성되어 있으며, 트리거 신호를 발생시키기 위해 상승 에지 선별기 및 TTL-to-NIM 로직 변환기를 포함하도록 개발하였다. 검출기와 초단의 신호처리회로(front-end electronics, FEE)는 AC 커플링 구조로 구성하였다. FEE의 잡음 특성은 전체 시스템의 성능에 크게 기여하므로 설계 시 고려해야 할 몇 가지 조건들에 대해 논의하였다. 이후 제작된 감마선 검출 시스템의 에너지 분해능 및 시간 분해능을 결정하였다. 평가된 에너지 분해능은 662 keV 피크와 511 keV 피크에 대해서 각각 12.0% 및 15.6% FWHM이었다. 시간 분해능은 59.0 ns로 평가되었다. 본 연구를 통해 제작된 섬광 검출기 및 신호처리회로의 성능이 기대에 다소 미치지 못하므로 결론에서는 성능 향상을 위한 추가 연구 방향에 대해 논의하였다.
In the present study, a gamma-ray detector and associated signal processing circuit was developed for a side-absorber of a dual-mode Compton camera. The gamma-ray detector was made by optically coupling a CsI(Tl) scintillation crystal to a silicon photodiode. The developed signal processing circuit ...
In the present study, a gamma-ray detector and associated signal processing circuit was developed for a side-absorber of a dual-mode Compton camera. The gamma-ray detector was made by optically coupling a CsI(Tl) scintillation crystal to a silicon photodiode. The developed signal processing circuit consists of two parts, i.e., the slow part for energy measurement and the fast part for timing measurement. In the fast part, there are three components: (1) fast shaper, (2) leading-edge discriminator, and (3) TTL-to-NIM logic converter. AC coupling configuration between the detector and front-end electronics (FEE) was used. Because the noise properties of FEE can significantly affect the overall performance of the detection system, some design criteria were presented. The performance of the developed system was evaluated in terms of energy and timing resolutions. The evaluated energy resolution was 12.0% and 15.6% FWHM for 662 and 511 keV peaks, respectively. The evaluated timing resolution was 59.0 ns. In the conclusion, the methods to improve the performance were discussed because the developed gamma-ray detection system showed the performance that could be applicable but not satisfactory in Compton camera application.
In the present study, a gamma-ray detector and associated signal processing circuit was developed for a side-absorber of a dual-mode Compton camera. The gamma-ray detector was made by optically coupling a CsI(Tl) scintillation crystal to a silicon photodiode. The developed signal processing circuit consists of two parts, i.e., the slow part for energy measurement and the fast part for timing measurement. In the fast part, there are three components: (1) fast shaper, (2) leading-edge discriminator, and (3) TTL-to-NIM logic converter. AC coupling configuration between the detector and front-end electronics (FEE) was used. Because the noise properties of FEE can significantly affect the overall performance of the detection system, some design criteria were presented. The performance of the developed system was evaluated in terms of energy and timing resolutions. The evaluated energy resolution was 12.0% and 15.6% FWHM for 662 and 511 keV peaks, respectively. The evaluated timing resolution was 59.0 ns. In the conclusion, the methods to improve the performance were discussed because the developed gamma-ray detection system showed the performance that could be applicable but not satisfactory in Compton camera application.
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문제 정의
반면 측면 흡수 부는 이중 산란형 모드에서만 영상감도를 높이기 위해 사용되는 검출기로서 첫 번째 산란부에서 산란된 광자가 두번째 산란부에서 큰 각도로 산란될 경우 이를 흡수시키기 위한 용도로 사용된다. 본 연구에서는 이중 모드 컴프턴영상장치의 측면 흡수부 검출기 제작을 위해 소형의 CsI(Tl) 섬광체에 광다이오드(photodiode)를 결합하여 감마선 검출기를 제작하였고, 이를 위한 신호처리회로를 설계 및 제작한 후 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 현재 개발중인 이중 모드 컴프턴 카메라의 측면 흡수부로 사용될 섬광검출기 및 광다이오드를 위한 신호처리회로를 설계 및 제작하고 성능을 평가하였다. 제작된 검출기 및 신호처리회로의 에너지 분해능은 662 keV 피크와 511 keV 피크에 대해서 각각 12.
또한, 본 연구에서 사용된 섬광체는 얇고 넓은 slab 형태를 가지고 있으며 섬광체에서 발생된 빛은 섬광 체의 좁은 면을 통해 수집하고 있으므로 광 수집에 있어서도 문제가 있을 것으로 판단된다. 이에 다음 연구에서는 섬광체의 넓은 면 쪽으로 섬광을 수집하는 구조를 가지도록 개발할 계획이다. 이와 함께 현재 상용으로 제작되는 광다이오드의 최대 사이즈에 한계가 있으므로 PMMA로 제작된 광 가이드(light guide)를 사용하여 섬광 체의 넓은 면과 광다이오드를 광 결합할 계획이다.
이에 본 연구에서는 CsI(Tl) 섬광체와 광다이오드를 결합하여 감마선 검출기를 제작하였다. 광다이오드를 사용할 경우 매우 간소하게 시스템을 구성할 수 있으며, 높은 사용 전압이 필요하지 않다는 장점이 있다.
가설 설정
(1) 통상 축전기는 가용 전압이 존재하므로 입력 축전기(Cin)는 Vb에서 문제없이 작동해야 한다.
제안 방법
전치증폭기의 출력신호는 미분기(CR differentiator, 1μF, 1 kΩ)를 거친 후 3단 증폭기를 통해 신호를 증폭시켰다. 3단 증폭기는 AD8013 연산 증폭기(3 channels/package)를 사용하였고, 스위치 및 가변저항을 통해 선택적으로 증폭도를 설정할 수 있도록 제작하였다. 이후 3단 증폭기의 출력 신호를 두 갈래로 분기하여 에너지 결정을 위한 slow part와 타이밍 결정을 위한 fast part로 나누어 처리하였다.
LED는 비교기(comparator, AD8564)와 단안정다중발진기(monostable multivibrator, CD74HCT4538)로 구성이 되어있으며, 이후 발생된 TTL 신호(로직 1=2~5 V)를 NIM 트리거 신호(로직 1=-800 mV at 50 Ω impedance)로 변환하는 회로를 포함하도록 설계하였다.
굴절율이 1.465이며 280 nm~700 nm 파장의 빛에 대한 광 투과율이 95% 정도인 실리콘 광 그리스(silicon optical grease, model: BC-630, St. Gobain Crystals)를 통해 CsI(Tl) 섬광체와 광다이오드를 광 결합(optical coupling)하였다. 이후 섬광체 내에서 발생되는 빛의 수집 효율을 높여주고 외부의 빛은 들어오지 않도록 테프론 테이프(Teflon tape)를 통해 차광(optical shielding)을 해주었고, 검정 종이테이프를 사용하여 추가로 감싸주었다 (그림 4).
바이어스 공급 라인에는 적분기(RC integrator: 10 MΩ, 10 nF)를 사용하여 전압의 안정적인 공급이 가능하도록 하였고, 누설전류에 의한 전압강하를 고려하여 200 MΩ의 바이어스 저항을 달아 주었다. 누설전류 차단(DC blocking)을 위해서 검출기 입력 라인에는 10 nF의 입력 커패시터를 달 아주었고, 시스템 교정을 위한 테스트 입력에는 1 pF의 변환 커패시터를 달아 주어 전압신호를 전하신호로 변환하였다. 참고로, 검출기와 초단 신호처리회로(front-end electronics, FEE)의 AC 커플링에는 다음과 같은 몇 가지 설계 기준이 있다[7].
다음으로는 본 연구를 통해 개발된 신호처리회로의 시간 분해능을 결정하였다. 그림 15는 시간 분해능 결정을 위해 사용된 신호처리회로의 개략도이다.
다음으로는 제작된 신호처리회로의 시간 분해능을 평가하였다. 이를 위해서 우선 ORTEC NIM 모듈에 대한 시간 분해능을 결정하였다.
또한 컴프턴 카메라를 구성하는 모든 감마선 검출기들은 동시계수기법을 사용하여 유효한 반응을 선별해야 하므로 반응 시간에 대한 정보도 제공해야 한다. 따라서 개발된 신호처리회로는 에너지를 결정하는 파트와 트리거 신호를 제공하는 파트를 모두 포함하도록 구성하였다. 그림 5는 개발된 신호처리 회로의 개략도를 보여주고 있다.
따라서 개발된 신호처리회로에서는 CR-200 칩들 중에서 입력 잡음이 가장 낮은 8 μs의 성형 시간을 갖는 칩을 slow shaper로 사용하기로 결정하였다.
바이어스 공급 라인에는 적분기(RC integrator: 10 MΩ, 10 nF)를 사용하여 전압의 안정적인 공급이 가능하도록 하였고, 누설전류에 의한 전압강하를 고려하여 200 MΩ의 바이어스 저항을 달아 주었다.
아래쪽 라인은 앞서 설명한 신호처리 로직과 완전히 동일하다. 본 연구를 통해 개발된 신호처리 회로에서는 상승 에지 선별기를 통해 NIM 트리거 신호까지 발생되므로, 이후 Gate and Delay Generator (GDG)를 거쳐 한 쪽은 동시계수 로직에 다른 쪽은 시간 지연을 주어 TAC의 정지 신호로 넣어 주었다.
본 연구를 통해 제작된 CsI(Tl) 섬광 검출기와 이를 위한 신호처리회로의 성능을 확인하기 위해 우선 성형 시간을 달리하여 137Cs (662 keV)과 22Na (511 keV) 선원에 대한 에너지 분해능을 결정하였다. 그림 10은 각 성형 시간 별 에너지 스펙트럼을 보여주고 있다.
다음으로는 제작된 신호처리회로의 시간 분해능을 평가하였다. 이를 위해서 우선 ORTEC NIM 모듈에 대한 시간 분해능을 결정하였다. 그림 13은 이때 사용된 신호처리회로의 개략도이다.
이에 다음 연구에서는 섬광체의 넓은 면 쪽으로 섬광을 수집하는 구조를 가지도록 개발할 계획이다. 이와 함께 현재 상용으로 제작되는 광다이오드의 최대 사이즈에 한계가 있으므로 PMMA로 제작된 광 가이드(light guide)를 사용하여 섬광 체의 넓은 면과 광다이오드를 광 결합할 계획이다. 여기에 추가적으로 저소음 전치증폭기에 대한 자체 개발 또한 진행중에 있으며 상용 모델과의 성능 비교도 수행할 계획이다.
3단 증폭기는 AD8013 연산 증폭기(3 channels/package)를 사용하였고, 스위치 및 가변저항을 통해 선택적으로 증폭도를 설정할 수 있도록 제작하였다. 이후 3단 증폭기의 출력 신호를 두 갈래로 분기하여 에너지 결정을 위한 slow part와 타이밍 결정을 위한 fast part로 나누어 처리하였다. slow shaper와 fast shaper는 Cremat 社의 CR-200 칩을 사용하였다(그림 6).
Gobain Crystals)를 통해 CsI(Tl) 섬광체와 광다이오드를 광 결합(optical coupling)하였다. 이후 섬광체 내에서 발생되는 빛의 수집 효율을 높여주고 외부의 빛은 들어오지 않도록 테프론 테이프(Teflon tape)를 통해 차광(optical shielding)을 해주었고, 검정 종이테이프를 사용하여 추가로 감싸주었다 (그림 4). 향후 외부에서 들어오는 빛을 차단하기 위해 St.
이후 제작된 감마선 검출기를 위한 신호처리회로를 제작하였다. 본 연구를 통해 개발하는 측면 흡수부 검출기는 컴프턴 카메라의 2차 산란부에서 큰 각도를 가지고 산란되는 감마선을 흡수시키기 위해 사용되므로 감마선의 에너지를 결정할 수 있어야 한다.
전치증폭기의 출력신호는 미분기(CR differentiator, 1μF, 1 kΩ)를 거친 후 3단 증폭기를 통해 신호를 증폭시켰다.
최적의 성형 시간을 결정하기 위해 CR-110 전치증폭기의 출력신호를 상용 spectroscopic amplifier (ORTEC 572A)에 넣어준 후 성형 시간을 1, 2, 3, 6, 10 μs로 변경하면서 에너지 스펙트럼을 획득하였다.
그림 13은 이때 사용된 신호처리회로의 개략도이다. 펄스 생성기(pulser)에서 발생시킨 신호를 시간 필터 증폭기(timing filter amplifier, TFA)를 통해 빠르게 성형하고 TFA의 출력 신호를 둘로 분기하여 고정 분율 선별기(constant fraction discriminator, CFD)를 통해 트리거 신호를 만들었다. 이후 분기된 신호를 동시계수로 묶어서 시간 높이 변환기(time-to-amplitude convertor, TAC)의 공통 시작(common start) 신호로 넣어 주었고, 일정한 시간 지연을 준 분기된 신호는 정지 신호로 넣어 주었다.
대상 데이터
CsI(Tl) 섬광체는 Lambda Photonics Technology 社에서 제작을 하였으며, 광다이오드의 검출 영역 사이즈에 맞게 3 mm×30 mm×30 mm의 크기를 갖도록 주문 제작하였다.
본 연구에서 사용된 광다이오드는 Hamamatsu 社의 S3588-08 모델로 검출 영역은 3 mm×30 mm의 크기를 가지고 있다.
광다이오드에서 발생된 전하 신호는 전하 민감형 전치 증폭기(charge-sensitive preamplifier)를 통하여 수집하였다. 본 연구에서는 Cremat 社에서 제작한 CR-110 전치증폭기 칩을 사용하였다(그림 6). CR-110 전치증폭기는 200 electron 정도의 ENC (equivalent noise in Si=1.
성능/효과
그림 11은각 성형 시간 별 에너지 분해능을 보여주고 있다. 대체로 성형 시간이 증가함에 따라 에너지 분해능이 향상됨을 확인할 수 있었다. 따라서 개발된 신호처리회로에서는 CR-200 칩들 중에서 입력 잡음이 가장 낮은 8 μs의 성형 시간을 갖는 칩을 slow shaper로 사용하기로 결정하였다.
03 ns FWHM이었다. 앞서 ORTEC 모듈들에 대한 시간 분해능은 1.68 ns로 결정되었으므로, 광다이오드 용 신호처리회로만의 시간 분해능(x)은 59.0 ns로 평가할 수 있었다(식 3).
38 ns FWHM이었다. 양쪽 라인이 시간차 스펙트럼에 동일한 영향을 미쳤다는 가정하에 개별 채널의 시간 분해능(x)은 1.68 ns로 평가되었다(식 2).
본 연구에서는 현재 개발중인 이중 모드 컴프턴 카메라의 측면 흡수부로 사용될 섬광검출기 및 광다이오드를 위한 신호처리회로를 설계 및 제작하고 성능을 평가하였다. 제작된 검출기 및 신호처리회로의 에너지 분해능은 662 keV 피크와 511 keV 피크에 대해서 각각 12.0% FWHM과 15.6% FWHM이었다. 측면 흡수부의 용도는 산란부 검출기에서 큰 각도로 산란되는 감마선을 흡수시켜 위치 정보는 필요없이 에너지만을 결정하면 된다.
후속연구
이에 다른 모델의 전치증폭기(Hamamatsu 社의 H4083, Endicott Interconnect 社의 eV-509x)와 성능을 비교하여 최적의 모델을 선정해야 할 것으로 판단되며, 제작된 섬광 검출기의 차광도 강화해야 할 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서 사용된 섬광체는 얇고 넓은 slab 형태를 가지고 있으며 섬광체에서 발생된 빛은 섬광 체의 좁은 면을 통해 수집하고 있으므로 광 수집에 있어서도 문제가 있을 것으로 판단된다. 이에 다음 연구에서는 섬광체의 넓은 면 쪽으로 섬광을 수집하는 구조를 가지도록 개발할 계획이다.
이와 함께 현재 상용으로 제작되는 광다이오드의 최대 사이즈에 한계가 있으므로 PMMA로 제작된 광 가이드(light guide)를 사용하여 섬광 체의 넓은 면과 광다이오드를 광 결합할 계획이다. 여기에 추가적으로 저소음 전치증폭기에 대한 자체 개발 또한 진행중에 있으며 상용 모델과의 성능 비교도 수행할 계획이다.
제작된 신호처리회로의 성형 증폭기 파트는 상용의 ORTEC 증폭기와 비교할 때 성능이 비슷하므로, 전치증폭기 쪽의 성능 향상이 보다 중요하다고 판단된다. 이에 다른 모델의 전치증폭기(Hamamatsu 社의 H4083, Endicott Interconnect 社의 eV-509x)와 성능을 비교하여 최적의 모델을 선정해야 할 것으로 판단되며, 제작된 섬광 검출기의 차광도 강화해야 할 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서 사용된 섬광체는 얇고 넓은 slab 형태를 가지고 있으며 섬광체에서 발생된 빛은 섬광 체의 좁은 면을 통해 수집하고 있으므로 광 수집에 있어서도 문제가 있을 것으로 판단된다.
이후 섬광체 내에서 발생되는 빛의 수집 효율을 높여주고 외부의 빛은 들어오지 않도록 테프론 테이프(Teflon tape)를 통해 차광(optical shielding)을 해주었고, 검정 종이테이프를 사용하여 추가로 감싸주었다 (그림 4). 향후 외부에서 들어오는 빛을 차단하기 위해 St. Gobain 社에서 제작하는 BC-638 black wrapping tape를 사용할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
컴프턴 카메라는 어떤 장치이며 무엇을 제공하는가?
컴프턴 카메라는 컴프턴 산란에 기반을 둔 감마선 방출영상장치로서 감마선원의 위치 및 분포에 대한 3차원 적인 영상을 고정된 위치에서 제공할 수 있다[1]. 우리는 지난 연구들을 통해 프로토타입의 이중 산란형 컴프턴 카메라를 개발한 바 있다[2-4].
이중 산란형 컴프턴 카메라의 단점은?
이중 산란형 컴프턴 카메라는 일반적인 컴프턴 카메라가 가지는 단일 산란형의 구조와는 달리 두 개의 산란부를 사용함으로써 산란된 광자의 궤적을 보다 정확하게 결정하고 이를 통해 높은 영상해상도를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 반면, 광자가 매우 얇은 산란부 검출기 두 개를 통과하면서 각각의 산란부 내에서 한 번씩 컴프턴 산란을 해야 한다는 조건 때문에 영상감도가 상대적으로 저조하다는 문제가 있었다[5]. 이에 우리는 이중 산란형과 단일 산란형 구조가 하나의 영상장치에 적용된 이중 모드 컴프턴 영상장치를 개발하고 있다 (그림 1).
이중 산란형 컴프턴 카메라의 특징 및 장점은?
우리는 지난 연구들을 통해 프로토타입의 이중 산란형 컴프턴 카메라를 개발한 바 있다[2-4]. 이중 산란형 컴프턴 카메라는 일반적인 컴프턴 카메라가 가지는 단일 산란형의 구조와는 달리 두 개의 산란부를 사용함으로써 산란된 광자의 궤적을 보다 정확하게 결정하고 이를 통해 높은 영상해상도를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 반면, 광자가 매우 얇은 산란부 검출기 두 개를 통과하면서 각각의 산란부 내에서 한 번씩 컴프턴 산란을 해야 한다는 조건 때문에 영상감도가 상대적으로 저조하다는 문제가 있었다[5].
참고문헌 (7)
Todd RW, Nightingale JM and Everett DR. Proposed gamma camera. Nature 251:132-134; 1974.
Seo H, Kim CH, Park JH, Kim JK, Lee JH, Lee CS, Lee JS. Development of double-scattering-type Compton camera with double-sided silicon strip detectors and NaI(Tl) scintillation detector. Nucl. Instr. and Meth. A 615(3):333-339; 2010.
Seo H, Park JH, Kim JK, Kim CH, Lee JH, Lee CS, Kim SM, Lee JS. Multi-tracing capability of double- scattering Compton imager using NaI(Tl) scintillator absorber. IEEE Trans. Nucl. Sci. 57(3):1420-1425; 2010.
Park JH, Seo H, Kim YS, Kim CH, Lee JH, Lee CS, Kim SM, Lee JS. Monte Carlo simulations on performance of double-scattering Compton camera. J. Instrum. (submitted).
Knoll GF. Radiation detection and measurement. 4th ed. New York; John Wiley and Sons. 2010:237.
Short course lecture note. Radiation Detection and Measurement. 2010 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference.
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