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문제 정의
- 본 연구에서는 랩뷰(LabVIEW) 기반 오실로스코프 제어 프로그램을 개발하고 이를 이용한 방사선 검출기용 데이터획득장치를 구현하였고, 방사선 모사 신호와 실제 검출기 출력신호를 이용하여 데이터획득장치 성능을 검증하였다.
- 본 연구에서는 방사선 검출기용 데이터획득장치로서 오실로스코프의 활용 가능성을 평가하였다. 이를 위해 OSC 제어 및 데이터 처리를 위한 랩뷰 프로그램을 개발하였고, 방사선 모사 파형과 실제 방사선 검출기를 이용한 DAQ 성능 검증을 시도하였다.
제안 방법
- 16개의 GAPD 출력신호를 4개로 줄여 검출위치를 추정할 수 있는 전하분배회로 (Resistive Charge Divider Circuit)를 설계 및 제작하였다(그림 5)[3]. 출력신호의 상승시간을 유지하기 위해 100 ohm, 50 ohm 및 0 ohm 등 30개의 낮은 저항들로 구성하였다.
- 3×3×10 mm3 픽셀들로 구성된 4×4 array LYSO 섬광결정블록(SinoCeramics, Shanghai, China)과 3×3 mm3픽셀들로 구성된 4×4 array GAPD 광센서(SPMArray4, Cork, Ireland)를 이용하여 방사선 검출기를 제작하였다[2].
- 출력신호의 상승시간을 유지하기 위해 100 ohm, 50 ohm 및 0 ohm 등 30개의 낮은 저항들로 구성하였다. 4개의 방사선 전기신호의 아날로그 신호 증폭 및 처리를 위해 AD8000(Analog Device, USA) IC를 이용한 저잡음 반전 전치 증폭기를 설계 및 제작하였다(그림 6). 출력신호의 평균 상승시간은 20 ns, 하강시간은 200 ns, 오프셋은 0-5 mV로 측정되었으며, 증폭률은 1~100 범위로 조절 가능하였다.
- GAPD 픽셀들은 3640개의 마이크로셀들로 구성되어 있고, GAPD 배열형 광센서는 외부로부터 입사면을 보호하기 위해 ＜500 um 에폭시로 표면 처리되었다. LYSO와 GAPD 접합면에는 광자의 손실을 줄이기 위하여 광학윤할제(optical grease)를 도포하였다.
- 데이터획득장치로서의 기본적인 성능을 검증하기 위해 방사선 모사 파형 발생 회로를 설계하였다(그림 2). 사각파 펄스 신호는 C-R 필터, R-C 필터 및 다이오드로 구성된 회로를 통과하며 방사선 모사 파형이 생성된다.
- 최종적으로, 오실로스코프 입력 신호의 진폭과 계산된 정점의 상관관계를 분석하여 에너지 선형성을 정량화하였다. 또한, 구간별 계산된 반치폭을 분석하여 OSC 입력신호의 진폭이 에너지 분해능에 미치는 영향성을 평가하였다.
- 오실로스코프 구동, 데이터 저장 경로 설정, 획득할 데이터 종류 및 개수 설정, 데이터 저장 등을 위한 오실로스코프 제어프로그램과 트리거된 오실로스코프 입력 신호로부터 파형, 상승 시간, 하강시간, 진폭 등을 획득하는 데이터 처리 프로그램을 개발하였다(그림 1). 방사선 검출기용 데이터획득장치로서의 성능검증을 위해 아날로그 4채널 입력신호를 획득/처리/분석하는 프로그램을 구현하고, 최종적으로는 유효 신호값을 추출 및 컴퓨터에 저장하여 데이터 후처리를 수행하였다.
- 본 연구에서 활용된 오실로스코프 기반 데이터획득장치는 화면에 캡쳐된 신호 파형을 8비트의 수직분해능으로 양자화하여 진폭을 추출한다. 따라서 입력되는 신호 파형의 진폭이 증가함에 따라 아날로그-디지털 변환과정에서 양자화되는 최소 전압 크기도 증가하게 된다.
- 실험을 위해 방사선 모사 파형의 진폭을 100 mV부터 2000mV까지 가변하여 오실로스코프에 입력하였다. 방사선 모사 신호를 100 mV 간격으로 10k 데이터를 측정하고, 20 step에서 총 200k 파형 데이터를 획득하였다.
- 오실로스코프 구동, 데이터 저장 경로 설정, 획득할 데이터 종류 및 개수 설정, 데이터 저장 등을 위한 오실로스코프 제어프로그램과 트리거된 오실로스코프 입력 신호로부터 파형, 상승 시간, 하강시간, 진폭 등을 획득하는 데이터 처리 프로그램을 개발하였다(그림 1). 방사선 검출기용 데이터획득장치로서의 성능검증을 위해 아날로그 4채널 입력신호를 획득/처리/분석하는 프로그램을 구현하고, 최종적으로는 유효 신호값을 추출 및 컴퓨터에 저장하여 데이터 후처리를 수행하였다.
- 오실로스코프와 PC는 LAN 포트를 통해 물리적으로 연결하였고, NI(National Instrument's)에서 제공하는 LabVIEW 2015 및 NI-VISA 1600 드라이버와 Teledyne Lecroy에서 제공하는 VICPPassport를 설치하여 프로그램 개발 환경을 구축하였다.
- 본 연구에서는 방사선 검출기용 데이터획득장치로서 오실로스코프의 활용 가능성을 평가하였다. 이를 위해 OSC 제어 및 데이터 처리를 위한 랩뷰 프로그램을 개발하였고, 방사선 모사 파형과 실제 방사선 검출기를 이용한 DAQ 성능 검증을 시도하였다.
- 후처리 과정을 통해 4개의 변환된 디지털 데이터는 식 (1)을 통해 방사선의 에너지 신호로 변환되고, 식 (2)와 (3)을 통해 방사선의 위치신호로 변환된다. 최종적으로 획득된 평면영상(flood image)과 각 픽셀 별 에너지스펙트럼(energy spectrum)을 확인함으로써 방사선 검출기 성능평가를 수행하였다.
- 16개의 GAPD 출력신호를 4개로 줄여 검출위치를 추정할 수 있는 전하분배회로 (Resistive Charge Divider Circuit)를 설계 및 제작하였다(그림 5)[3]. 출력신호의 상승시간을 유지하기 위해 100 ohm, 50 ohm 및 0 ohm 등 30개의 낮은 저항들로 구성하였다. 4개의 방사선 전기신호의 아날로그 신호 증폭 및 처리를 위해 AD8000(Analog Device, USA) IC를 이용한 저잡음 반전 전치 증폭기를 설계 및 제작하였다(그림 6).
대상 데이터
- LYSO 픽셀들은 GAPD 접합면을 제외한 5면이 반사체로 덮여 있고, LYSO 섬광결정블록은 입사되는 전자파 및 주변광 잡음을 제거하기 위해 알루미늄 호일로 덮여있다. GAPD 픽셀들은 3640개의 마이크로셀들로 구성되어 있고, GAPD 배열형 광센서는 외부로부터 입사면을 보호하기 위해 ＜500 um 에폭시로 표면 처리되었다. LYSO와 GAPD 접합면에는 광자의 손실을 줄이기 위하여 광학윤할제(optical grease)를 도포하였다.
- 실험을 위해 방사선 모사 파형의 진폭을 100 mV부터 2000mV까지 가변하여 오실로스코프에 입력하였다. 방사선 모사 신호를 100 mV 간격으로 10k 데이터를 측정하고, 20 step에서 총 200k 파형 데이터를 획득하였다. 각 진폭마다 누적된 데이터는 히스토그램으로 그래프화 하였고, 가우시안 curve-fitting 방법을 이용하여 정점(peak channel)과 반치폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)을 계산하였다.
데이터처리
- 방사선 모사 신호를 100 mV 간격으로 10k 데이터를 측정하고, 20 step에서 총 200k 파형 데이터를 획득하였다. 각 진폭마다 누적된 데이터는 히스토그램으로 그래프화 하였고, 가우시안 curve-fitting 방법을 이용하여 정점(peak channel)과 반치폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)을 계산하였다. 최종적으로, 오실로스코프 입력 신호의 진폭과 계산된 정점의 상관관계를 분석하여 에너지 선형성을 정량화하였다.
성능/효과
- 그림 10은 4×4 배열형 LYSO와 GAPD로 이루어진 방사선 검출기의 1채널에서 획득한 대표적인 아날로그 신호파형(좌)과 에너지 스펙트럼(우)이다. 511 keV 에너지에 가우시안 피팅을 시도하였고, 에너지 분해능은 약 12.9%를 가졌다(그림 10). 그림 11은 4×4 배열형 방사선 검출기로부터 획득한 평면영상(flood image)과 섬광결정지도(flood map)이다.
- 999를 가졌다. 또한, 100 mV부터 2000 mV진폭변화에 의한 반치폭은 2.1~21.3 mV 범위이고, 에너지 분해능은 1~2% 수준으로 측정되었다.
- 방사선 모사 입력 신호의 진폭 변화에 따른 전압스펙트럼분석에서 정점의 위치는 선형적으로 증가하였고, 에너지 분해능은 1-2% 수준으로 측정되었다. 즉, 100 mV부터 2000 mV 진폭변화는 방사선 검출기용 데이터획득장치에 미치는 영향이 미비함을 검증하였다.
- 본 연구에서 제안한 오실로스코프를 이용한 방사선 검출기용 데이터획득장치는 실험을 통해 만족할 만한 성능을 보여주었다. 따라서, 상용 DAQ나 주문 제작형 DAQ의 추가 구매 없이, 실험실에서 보유한 오실로스코프를 이용하여 고성능의 DAQ 구축 및 활용이 가능함을 시사한다.
- 방사선 검출기에 입사되는 방사선 에너지와 방사선량은, 각각 파형발생기의 진폭과 주파수를 조절하여 생성된다. 이는 방사선 검출기를 구성하는 섬광결정, 광센서, 전치 증폭기에서 발생할 수 있는 통계적인 가우시안/랜덤 노이즈를 배제하고 데이터획득장치 자체적인 성능 검증이 가능하였다.
- 방사선 모사 입력 신호의 진폭 변화에 따른 전압스펙트럼분석에서 정점의 위치는 선형적으로 증가하였고, 에너지 분해능은 1-2% 수준으로 측정되었다. 즉, 100 mV부터 2000 mV 진폭변화는 방사선 검출기용 데이터획득장치에 미치는 영향이 미비함을 검증하였다. 또한, 4×4 배열형 방사선 검출기로부터 픽셀들이 명백히 구별되는 획득한 평면영상을 획득하였고, 각 픽셀 별 에너지 분해능은 12.
- 각 진폭마다 누적된 데이터는 히스토그램으로 그래프화 하였고, 가우시안 curve-fitting 방법을 이용하여 정점(peak channel)과 반치폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)을 계산하였다. 최종적으로, 오실로스코프 입력 신호의 진폭과 계산된 정점의 상관관계를 분석하여 에너지 선형성을 정량화하였다. 또한, 구간별 계산된 반치폭을 분석하여 OSC 입력신호의 진폭이 에너지 분해능에 미치는 영향성을 평가하였다.
- 4개의 방사선 전기신호의 아날로그 신호 증폭 및 처리를 위해 AD8000(Analog Device, USA) IC를 이용한 저잡음 반전 전치 증폭기를 설계 및 제작하였다(그림 6). 출력신호의 평균 상승시간은 20 ns, 하강시간은 200 ns, 오프셋은 0-5 mV로 측정되었으며, 증폭률은 1~100 범위로 조절 가능하였다. 증폭된 방사선 검출기 출력신호는 OSC에 연결되고, 데이터 처리 프로그램을 이용하여 추출한 유효 데이터가 컴퓨터에 저장된다.
후속연구
- 또한, OSC 제조사에서 제공하는 라이브러리를 이용하여 랩뷰가 아닌 다른 프로그래밍 언어(C,C++, Python, Matlab 등)를 이용한 데이터획득장치용 프로그램개발이 가능하다. 특히, 본 연구에 사용된 오실로스코프는 매우 높은 샘플링 속도를 보유하고 있어, 높은 시간분해능을 요구하는 고성능의 TOF-PET 검출기 개발에 용이할 것으로 사료된다. 향후에는 방사선 의료기기 분야에 국한되지 않고, 방사선 검출기를 이용한 개인 피폭 선량계, GM COUNTER, 비파괴 검사장치 분야에도 오실로스코프를 이용한 DAQ의 활용성이 증가할 것으로 기대된다.
- 특히, 본 연구에 사용된 오실로스코프는 매우 높은 샘플링 속도를 보유하고 있어, 높은 시간분해능을 요구하는 고성능의 TOF-PET 검출기 개발에 용이할 것으로 사료된다. 향후에는 방사선 의료기기 분야에 국한되지 않고, 방사선 검출기를 이용한 개인 피폭 선량계, GM COUNTER, 비파괴 검사장치 분야에도 오실로스코프를 이용한 DAQ의 활용성이 증가할 것으로 기대된다.
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