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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 소조사면의 정확한 선량 측정과 동시에 광량 측정이 가능한 반도체화합물 기반의 방사선 검출 센서를 개발함으로써, 기존에 사용되어 왔던 선량계의 대체 가능성을 확인하고, 새로운 QA 프로그램 프로토콜을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- Figure 3. 은 제작된 검출 센서에 대한 전기적 특성을 확인하기 위한 모식도로써 SSD(source to surface distance)를 100 cm으로 고정시킨 이후에 방사선 에너지와 에너지 세기의 변화에 따른 방사선 응답 특성을 확인하였다.
- X선 반응신호 측정에 사용된 계측기는 미소전위계 (Keithley, 6517A, USA)와 오실로스코프(LeCroy, 62 Xi, USA)이며, 구동전압은 1 V/㎛가 인가되었으며, 미소전위계를 통하여 수집된 전하의 출력 신호를 오실로스코프로 확인 후 디지털 데이터로 저장하였다.
- 고에너지 X선에 우수한 검출특성 가진 반도체화합물 을 선정하기 위하여 누설전류(Dark current), 출력전류(Output current), 상승시간(Rising time), 하강시간 (Falling time), 응답지연(Response delay)에 대한 실험을 통하여 검출 특성을 분석하였으며, 선형가속기의 빔펄스(beam pulse) 신호와 검출 신호와의 일치성 여부도 조사하였다. 또한 특성 분석을 통해 선정된 반도체화합물을 이용하여 제작된 센서 성능을 검증하기 위해 재현성, 정확성, 선형성을 조사하였다.
- 고에너지 X선에 우수한 검출특성 가진 반도체화합물 을 선정하기 위하여 누설전류(Dark current), 출력전류(Output current), 상승시간(Rising time), 하강시간 (Falling time), 응답지연(Response delay)에 대한 실험을 통하여 검출 특성을 분석하였으며, 선형가속기의 빔펄스(beam pulse) 신호와 검출 신호와의 일치성 여부도 조사하였다. 또한 특성 분석을 통해 선정된 반도체화합물을 이용하여 제작된 센서 성능을 검증하기 위해 재현성, 정확성, 선형성을 조사하였다.
- 선형가속기의 빔 펄스에 따른 검출 시편 신호와의 일치성 평가, 가속전압 6 MV와 15 MV에서 선량율 400 MU/min, 100 MU로 고정하여 고에너지 X선을 10회 반복 조사 시 일정한 양의 선량을 확인 하는 재현성 평가, MU를 선형적으로 증가하여 고에너지를 조사 시, 시편에서 발생되는 선량이 일정한 값으로 증가하는 선형성 평가를 실시하였다.
- 제작된 4종류의 시편(PbI2, PbO, HgI2 그리고 HgI2와 TiO2의 혼합물)에 대한 우수한 고에너지 X선에 대한 검출 특성 분석을 하였다.
- 검출 특성의 결과를 바탕으로 선정된 HgI2와 TiO2 물질로 제작된 Uni-cell type의 시편에 대해서 좀 더 정확한 검증을 하기 위하여 선형가속기에서 X선이 조사될 때 빔 펄스와 Uni-cell type 시편에서 발생되는 검출 신호와 일치성 여부를 평가 하였으며, 일정한 X선 조사시 검출 시편에서 동일한 선량 값에 대한 검출 여부를 판단하기 위한 재현성 평가를 하었다. 또한 동일한 선량율(MU/min)에 선형적으로 MU값을 증가하여 X선을 조사 시 검출신호에 대한 선형성 평가를 실시하였다.
- 물질로 제작된 Uni-cell type의 시편에 대해서 좀 더 정확한 검증을 하기 위하여 선형가속기에서 X선이 조사될 때 빔 펄스와 Uni-cell type 시편에서 발생되는 검출 신호와 일치성 여부를 평가 하였으며, 일정한 X선 조사시 검출 시편에서 동일한 선량 값에 대한 검출 여부를 판단하기 위한 재현성 평가를 하었다. 또한 동일한 선량율(MU/min)에 선형적으로 MU값을 증가하여 X선을 조사 시 검출신호에 대한 선형성 평가를 실시하였다.
- 선형가속기에서 X선이 조사 될 때 빔 펄스와 X선 검출시편에 대한 일치 여부를 평가하기 위하여 검출 시편에서 발생되는 검출 신호와 타겟의 입력 펄스와의 일치성 여부를 측정 하였으며, 타겟의 입력 펄스에 대해서 동일한 시간에 검출시편에서 신호를 확인 할 수 있었다. 측정결과, figure 5.
- 이를 위하여 6 MV와 15 MV의 가속전압을 이용하였으며, 모든 기하학적 조건(SSD: 100 cm, 조사면 크기: 10 × 10 cm2, 선량률: 400 MU/min)을 같게 하고 100 MU의 동일한 방사선을 10회 반복 조사하였다.
대상 데이터
- [7] 시편 제작에 사용된 반도체 화합물 재료는 Kojundo chemical laboratory 社의 순도 99.999%의 mercury(II) iodide, lead(II) oxide와 순도 99.99%의 lead(II) iodide 및 CERAC 社에서 제작된 순도 99.5%의 titanium dioxide이다.
- 제작된 시편의 방사선 검출면적은 1 cm × 1 cm 이며, 반도체화합물 필름층의 두께는 약 400 µm 내외로 제작하였다.
- 필름 제조를 위한 바인더는 DGMA(Diethylen Glycol Monobutyl Ether Acetate)와 분산제 DGME(Diethylen Glycol Monoethyl Ether)를 혼합한 용매에 폴리머 물질(Poly-Vinyl-Butral)을 첨가하여 제조하였다. 시편은 ITO(Indium Thin Oxide)가 형성되어 있는 유리 기판 상부에 PbI2, PbO, HgI2 그리고 HgI2와 TiO2의 혼합물을 각각 PBS 방식으로 형성한 이후, 상부 전극으로 ITO를 DC magnetron sputtering 장비를 이용하여 형성 하였다.
- 필름 제조를 위한 바인더는 DGMA(Diethylen Glycol Monobutyl Ether Acetate)와 분산제 DGME(Diethylen Glycol Monoethyl Ether)를 혼합한 용매에 폴리머 물질(Poly-Vinyl-Butral)을 첨가하여 제조하였다. 시편은 ITO(Indium Thin Oxide)가 형성되어 있는 유리 기판 상부에 PbI2, PbO, HgI2 그리고 HgI2와 TiO2의 혼합물을 각각 PBS 방식으로 형성한 이후, 상부 전극으로 ITO를 DC magnetron sputtering 장비를 이용하여 형성 하였다. 제작된 시편의 방사선 검출면적은 1 cm × 1 cm 이며, 반도체화합물 필름층의 두께는 약 400 µm 내외로 제작하였다.
이론/모형
- 이에 본 연구에서는 반도체화합물을 이용하여 수백 마이크로 이상의 필름 두께를 가진 검출센서를 제작하기 위해 입자침전법(Particle-in-Binder Sedimentation; PIB)법을 이용하였다.[7] 시편 제작에 사용된 반도체 화합물 재료는 Kojundo chemical laboratory 社의 순도 99.
- 1. Fabrication process for semiconductor film sensor using particle-in-binder sedimentation(PIB) method.
성능/효과
- 그림에서와 같이 출력전압의 경우 HgI2에 TiO2가 첨가된 시편에서 4.003E+00A로 가장 우수한 특성을 가진 반면, PbO의 경우 1.017E-01A로 가장 낮은 값을 가짐을 확인 할 수 있었다.
- 그 외에 특성 결과도 HgI2에 TiO2가 혼합된 시편이 비교적 우수한 검출 특성들을 가짐을 알 수 있었다.
- 측정결과, figure 5. 에 나타낸 것과 같이 X선 검출물질이 치료방사선으로부터 받아드린 광자에 대한 반응성을 확인 하는 동시에 빔 펄스와 X선에 의한 검출시편간의 두 신호에 대한 일치성을 확인할 수 있었다. QA(Quality assurance)용의 방사선 측정 시스템에 있어서 가장 중요한 조건은 바로 재현성이라 할 수 있으며, 그 이유는 방사선 발생장치가 항상 일정한 양의 방사선을 발생하고 있는지를 알기 위해서 방사선 측정 시스템이 같은 방사선에 대하여 항상 일정한 반응을 보여야 하기 때문이다.
- TiO2가 첨가된 HgI2 필름 센서의 선형가속기에 대한 QA 성능평가 결과, 선형가속기의 빔 펄스 파형과 검출 신호에 대해 약 0.0032s 진폭에 대한 동일한 신호를 확인 하였으며, 15 MV 가속전압을 이용하여 100 MU를 10회 조사한 재현성 평가는 최대선량 1.8096μC, 최소선량 1.7664μC로 평균선량 1.7886μC, 표준 편차 0.0157에 표준오차율 0.496% 내외로 오차범위 내의 비교적 우수한 재현성을 나타내었다.
- 측정한 방사선량에 대한 검출시편의 신호의 재현성 결과는 100 MU 반복 조사 시 검출시편의 반응은 6 MV의 경우 최대선량 1.8390μC, 최소선량 1.8287μC로 평균선량 1.8344μC, 표준 편차 0.0039에 표준 오차율 0.124% 나타냈으며, 15 MV의 경우 최대선량 1.8096μC, 최소선량 1.7664μC로 평균선량 1.78857μC, 표준편차 0.0157에 표준 오차율 0.496%로 우수한 재현성이 있음을 확인 하였다.
- 선형가속기의 광자 에너지가 6 MV, 15 MV로 시편에 조사 시, MU(monitor unit)값을 일정한 기준으로 10, 20, 30, 40, 50, 80, 100, 200, 300, 500, 800, 1000 MU로 변화시켜 제작된 X선 변환 물질의 검출신호를 측정한 결과 동일한 400 MU/min의 선량율에서 MU를 일정하게 증가시켰을 때, 측정된 Uni-cell type 시편의 검출 신호는 figure 7. 에서 나타나듯이 우수한 선형성을 가지고 있었으며, 가속전압 6 MV의 R2(R square = SSR/SST)의 경우 1, 15 MV는 R2=0.999 인 것을 확인하였다.
- 본 연구는 의료용 선형가속기의 고에너지 X선 소조 사야 정도관리 및 선량검증을 위한 선량계 개발을 위 한 기초연구로서 최근 방사선 검출 물질로 연구되고 있는 4종류의 반도체화합물을 이용하여 PBS법으로 제작된 센서의 검출 특성들을 분석한 결과, HgI2에 TiO2를 혼합한 물질이 가장 우수한 특성을 가짐을 확인할 수 있었다. TiO2가 첨가된 HgI2 필름 센서의 선형가속기에 대한 QA 성능평가 결과, 선형가속기의 빔 펄스 파형과 검출 신호에 대해 약 0.
- 496% 내외로 오차범위 내의 비교적 우수한 재현성을 나타내었다. 또한 선형성 평가 시 측정된 검출선량은 오차범위 1% 이내에 일치하는 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 선정된 방사선 검출 물질이 의료용 선형가속기 고에너지 X선의 정도관리를 위한 선량계로 적용 가능할 것으로 판단된다.
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