본 논문에서는 성능이 향상된 StackMonitoring System을 설계한다. Stack Monitoring System의 증폭기(AMP)에 들어오는 펄스성 잡음을 차단하기 위하여, 차폐 및 전원부 임피던스를 낮추고 전원회로를 분리하여 노이즈를 차단한다. 신틸레이션 검출기 특성을 최대한 장치에 매칭하기 위한 가변 고전압, 이득(Gain), 상쇄(Offset), 한계(Threshold) 등을 설정 할 수 있는 제어부를 설계한다. 또한 300 ~ 1,500V의 가변 고전압 전원회로를 구성하여 다양한 신틸레이션 검출기에 적용가능 한 가변 전압 공급 장치를 설계한다. 성능이 향상된 Stack Monitoring System은 다종의 신틸레이션 검출기가 각각의 특성을 고려하여 동작하게 함으로서 효율적이고 높은 신뢰성을 보장한다. 개발된 Stack Monitoring System의 측정 불확도에 대하여 공인 시험기관의 장비를 사용하여 실험한 결과 우수한 성능을 나타내었다.
본 논문에서는 성능이 향상된 Stack Monitoring System을 설계한다. Stack Monitoring System의 증폭기(AMP)에 들어오는 펄스성 잡음을 차단하기 위하여, 차폐 및 전원부 임피던스를 낮추고 전원회로를 분리하여 노이즈를 차단한다. 신틸레이션 검출기 특성을 최대한 장치에 매칭하기 위한 가변 고전압, 이득(Gain), 상쇄(Offset), 한계(Threshold) 등을 설정 할 수 있는 제어부를 설계한다. 또한 300 ~ 1,500V의 가변 고전압 전원회로를 구성하여 다양한 신틸레이션 검출기에 적용가능 한 가변 전압 공급 장치를 설계한다. 성능이 향상된 Stack Monitoring System은 다종의 신틸레이션 검출기가 각각의 특성을 고려하여 동작하게 함으로서 효율적이고 높은 신뢰성을 보장한다. 개발된 Stack Monitoring System의 측정 불확도에 대하여 공인 시험기관의 장비를 사용하여 실험한 결과 우수한 성능을 나타내었다.
In this paper, we designed the stack monitoring system with improved performance. To block the incoming pulse noise to the amplifier, shield and the power supply impedance are reduced and the power circuit is isolated. The control unit is developed with variable high voltage, adaptive gain, offset a...
In this paper, we designed the stack monitoring system with improved performance. To block the incoming pulse noise to the amplifier, shield and the power supply impedance are reduced and the power circuit is isolated. The control unit is developed with variable high voltage, adaptive gain, offset and threshold in order to match the scintillation detector characteristic to the apparatus. 300-1500V variable high voltage power circuit is configured applicable to various scintillation detector. Stack monitoring system with improved performance guarantee the efficiency and the reliability by considering the characteristic of various scintillation detector. Developed stack monitoring system is evaluated with certified testing equipment and shows excellent performance with respect to the uncertainty of the sensor test results.
In this paper, we designed the stack monitoring system with improved performance. To block the incoming pulse noise to the amplifier, shield and the power supply impedance are reduced and the power circuit is isolated. The control unit is developed with variable high voltage, adaptive gain, offset and threshold in order to match the scintillation detector characteristic to the apparatus. 300-1500V variable high voltage power circuit is configured applicable to various scintillation detector. Stack monitoring system with improved performance guarantee the efficiency and the reliability by considering the characteristic of various scintillation detector. Developed stack monitoring system is evaluated with certified testing equipment and shows excellent performance with respect to the uncertainty of the sensor test results.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 Stack Monitoring System의 증폭기(AMP)에 들어오는 펄스성 잡음을 차단하기 위하여, 차폐 및 전원부 임피던스를 낮추고 전원회로를 분리하여 노이즈를 차단한다. 신틸레이션 검출기 특성을 최대한 장치에 매칭하기 위한 가변 고전압, 이득(Gain), 상쇄(Offset), 한계(Threshold) 등을 설정 할 수 있는 제어부를 설계한다.
본 논문에서는 성능이 향상된 Stack Monitoring System을 개발 하였다. 전원 노이즈 및 증폭회로의 발진 등을 해결하기 위한 회로 설계 및 보드 제작(Shield CAN)을 통해 Stack Monitoring System의 신호의 특성을 개선하도록 회로를 개선 설계하였다.
잡음은 주파수 성분이 매우 높아 전계 필드 방사 형태로 전달되는데 이의 영향을 줄이기 위해서는 거리를 멀리하거나 전계에 대한 차폐, 회로 내의 임피던스를 낮추는 방법 등이 있다. 본 논문에서는 잡음의 영향을 줄이기 위해 차폐, 신호를 처리하는 각 단간의 전원을 통한 궤환(Feedback)을 줄이기 위해 전원부 임피던스를 최대한 낮추고 전원회로를 분리하는 방법으로 설계한다. 그림 1은 전원 노이즈 및 증폭회로의 발진 등을 해결하기 위한 회로도이다.
제안 방법
검출부는 카트리지에 포집된 Beta particulate를 측정하기 위한 신틸레이션 검출기를 사용한다. PMT에 고압을 인가하고, Scintillator에 입사된 방사선을 증폭하여 미세한 전기신호로 출력한다.
또한 300 ∼ 1,500V의 가변 고전압 전원회로를 구성하여 다양한 신틸레이션 검출기에 적용가능 한 가변 고전압 전원회로를 설계한다.
Embedded Control Board부는 Ethernet Port를 통해 원격의 PC와 통신한다. 방사선 조사실내에 작업자가 수시로 출입하며 설정 및 조정을 하지 않고 원격에서 전압 및 캘리브레이션 설정을 조정한다.
고압발생부는 저압으로부터 고압을 얻은 기능을 하며, capacitor와 스위치를 이용하여 전압을 올리는 방법, 변압기를 이용하여 올리는 방법, 교류를 배압 정류하여 올리는 방법 등이 많이 사용된다. 본 논문에서는 필요한 특성을 충족하면서 소규모로 만들기 위해 변압기와 배압 정류를 혼합한 방법을 사용한다. 한편, 보편적으로 스위칭 전원에서 많이 사용하는 전압 변환 회로는 주 전원 전류를 스위칭 하여 단속시 2차측 코일에 나타나는 임펄스 형태의 파형을 정류하여 고압을 얻는다.
따라서 본 논문에서는 Stack Monitoring System의 증폭기(AMP)에 들어오는 펄스성 잡음을 차단하기 위하여, 차폐 및 전원부 임피던스를 낮추고 전원회로를 분리하여 노이즈를 차단한다. 신틸레이션 검출기 특성을 최대한 장치에 매칭하기 위한 가변 고전압, 이득(Gain), 상쇄(Offset), 한계(Threshold) 등을 설정 할 수 있는 제어부를 설계한다. 또한 300 ∼ 1,500V의 가변 고전압 전원회로를 구성하여 다양한 신틸레이션 검출기에 적용가능 한 가변 고전압 전원회로를 설계한다.
본 논문에서는 성능이 향상된 Stack Monitoring System을 개발 하였다. 전원 노이즈 및 증폭회로의 발진 등을 해결하기 위한 회로 설계 및 보드 제작(Shield CAN)을 통해 Stack Monitoring System의 신호의 특성을 개선하도록 회로를 개선 설계하였다. 또한 300 ~ 1,500V 가변고전압 전원회로를 통해 광범위한 전압범위를 갖는 신틸레이션 검출기의 전원 공급에 효과적으로 대응하여 운용 및 효율성을 극대화하였다.
표 1과 같이 표준선원인 90Sr, 36Cl를 사용하여 표준선량값을 가지고 측정 불확도를 측정하였다.
스위칭 주파수와 고조파를 포함하면 100KHz에서 수 GHz대에 이르는 노이즈가 나오므로 반도체를 사용한 액티브 필터보다는 수동소자를 사용한다. 한편, 잡음을 효과적으로 제거하기 위해 다단의 LC 필터를 사용하며, 목표 전압에 도달한 후 전압 검출에 의해 고압발생이 ON/OFF 되며 발생하는 리플을 제거하기 위하여 리플 필터를 사용한다. 또한 HV_CK의 스위칭에 의해 발생하는 높은 주파수의 잡음을 제거하기 위하여 RC 필터를 사용한다.
성능/효과
전원 노이즈 및 증폭회로의 발진 등을 해결하기 위한 회로 설계 및 보드 제작(Shield CAN)을 통해 Stack Monitoring System의 신호의 특성을 개선하도록 회로를 개선 설계하였다. 또한 300 ~ 1,500V 가변고전압 전원회로를 통해 광범위한 전압범위를 갖는 신틸레이션 검출기의 전원 공급에 효과적으로 대응하여 운용 및 효율성을 극대화하였다. 성능이 향상된 Stack Monitoring System의 불확도에 대하여 공인 시험기관의 장비를 사용하여 실험한 결과 우수한 성능을 나타내었다.
또한 성능이 향상된 Stack Monitoring System의 불확도에 대하여 그림 5와 같이 공인 시험기관의 장비를 사용하여 실험한 결과 우수한 성능을 나타내었다.
본 논문에서 개발된 성능이 향상된 Stack Monitoring System을 교정기관이 표면 오염 측정을 위해 보유하고 있는 기준 검사 방사능 소스를 활용하여, 그림 4와 같이 정상 범위에서의 동작함이 확인되었다.
또한 300 ~ 1,500V 가변고전압 전원회로를 통해 광범위한 전압범위를 갖는 신틸레이션 검출기의 전원 공급에 효과적으로 대응하여 운용 및 효율성을 극대화하였다. 성능이 향상된 Stack Monitoring System의 불확도에 대하여 공인 시험기관의 장비를 사용하여 실험한 결과 우수한 성능을 나타내었다. 향후 시스템의 안정화 및 정확도를 높이는 방법에 대한 연구가 필요하리라 사료된다.
Cl를 사용하여 표준선량값을 가지고 측정 불확도를 측정하였다. 실험 결과 측정된 불확도는 5.5% 이하로 측정되어서, 기존의 불확도 15% 보다 우수하게 나타남이 확인되었다.
한편 가변 고전압 전원 회로에서는 정상적으로 300 ∼ 1,500V의 가변 고전압이 공급됨을 자체 테스트로 확인하였다.
후속연구
성능이 향상된 Stack Monitoring System의 불확도에 대하여 공인 시험기관의 장비를 사용하여 실험한 결과 우수한 성능을 나타내었다. 향후 시스템의 안정화 및 정확도를 높이는 방법에 대한 연구가 필요하리라 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
배압 정류의 배율만큼 2차측 전압이 낮도록 설계하여 EMI 측면에서 유리하도록 하는 이유는?
한편, 보편적으로 스위칭 전원에서 많이 사용하는 전압 변환 회로는 주 전원 전류를 스위칭 하여 단속시 2차측 코일에 나타나는 임펄스 형태의 파형을 정류하여 고압을 얻는다. 고압전원 배압변환부는 트랜스 2차측의 AC 전압을 최대치의 7배 전압으로 정류하는 회로인데, 트랜스 2차측 핀의 전압 변동 폭이 가장 커서 주 EMI 방출원이 된다. 따라서 배압 정류의 배율만큼 2차측 전압이 낮도록 설계하여 EMI 측면에서 유리하도록 한다.
Charge Sensitive AMP가 펄스성 잡음에 영향을 많이 받게 되는 이유는?
Charge Sensitive AMP는 매우 빠르게 입력 펄스를 처리하기 때문에 펄스성 잡음에 영향을 많이 받게 된다. 잡음은 주파수 성분이 매우 높아 전계 필드 방사 형태로 전달되는데 이의 영향을 줄이기 위해서는 거리를 멀리하거나 전계에 대한 차폐, 회로 내의 임피던스를 낮추는 방법 등이 있다.
신틸레이션 검출기의 요구되는 가변 전원 공급량은?
또한 SMPS(Switched Mode Power Supply)를 사용하여 디지털 제어부와 AMP 등을 위해 전원 인가해주는 경우에 전원 주파수 인 60Hz와 전원장치가 가지는 100Khz 대의 노이즈가 Pre-AMP 및 Main AMP 등에 영향을 주어 입력단의 미세한 노이즈가 증폭되어 정확도 및 정밀로들 떨어뜨리는 요인이 되고 있다[2][3]. 신틸레이션 검출기의 경우 300 ~ 1,500V까지의 가변 고전압 전원 공급이 필요하지만 일반적인 Stack Monitoring System은 700V의 전원을 공급하여 동작되도록 구성되어 있어 고전압 가변에 따른 신틸레이션 검출기의 최적 동작 설정에 제약을 가지고 있다[4][5][6][7].
참고문헌 (7)
Humpherys, Ko C., and A. D. Kantz., "Radiachromic: a radiation monitoring system.," Radiation Physics and Chemistry, pp. 737-747, 1977.
Whittington, Herbert William, Brian W. Flynn, and Donald Ewen Macpherson., "Switched mode power supplies: design and construction.," Power Engineering Journal, pp. 87-87, 1998.
Xin, Wu, et al., "A study of common mode noise in switching power supply from a current balancing viewpoint,." IEEE 1999 International Conference, pp. 2. 1999.
Wong, W-H., and Hondi Li., "A scintillation detector signal processing technique with active pileup prevention for extending scintillation count rates," IEEE Transactions on Nuclear Science, pp. 838-842, 1998.
Kastalsky, A., S. Luryi, and B. Spivak., "Semiconductor high-energy radiation scintillation detector.," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, pp. 650-656, 2006.
Lee, Joo-Hyun, and Seung-Ho Lee, "A Study On Radiation Detection Using CMOS Image Sensor," Journal of IKEEE, pp. 193-200, 2015.
Jang, Kyeong-Uk, Joo-Hyun Lee, and Seung-Ho Lee, "A Study On Hardware Design for High Speed High Precision Neutron Measurement.," Journal of IKEEE, pp. 61-67, 2016.
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