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문제 정의
- 본 연구에서는 Scintillator에 온도 보정 알고리즘을 적용하여 검출 성능을 향상시킨 디지털 방식의 휴대용 방사선 검출기 구현에 대한 연구를 진행하였다. 쿼드코어 프로세서인 ARM Cortex-A9의 임베디드 플랫폼을 기반으로 기존에 사용되었던 Pulse Shaping Board를 배제하여 소프트웨어 알고리즘만으로 Pulse의 측정값을 찾고, Scintillator에서 발생하는 온도 변환 효율을 특정 시료들을 이용하여 보정하는 알고리즘을 제안한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 Scintillator에 온도 보정 알고리즘을 적용하여 검출 성능을 향상시킨 디지털 방식의 휴대용 방사선 검출기 구현에 대한 연구를 진행하였다. 쿼드코어 프로세서인 ARM Cortex-A9의 임베디드 플랫폼을 기반으로 기존에 사용되었던 Pulse Shaping Board를 배제하여 소프트웨어 알고리즘만으로 Pulse의 측정값을 찾고, Scintillator에서 발생하는 온도 변환 효율을 특정 시료들을 이용하여 보정하는 알고리즘을 제안한다.
- 디지털 휴대용 방사선 검출기는 아날로그 휴대용 방사선 검출기에서 포함하고 있던 Pulse Shaping Board를 배제하고 방사선 센서의 출력 신호를 임베디드 플랫폼만으로 처리하게 된다[10]. 기존 아날로그 휴대용 방사선 검출기 대비 고속의 측정과 Pulse 검출 알고리즘을 적용하여 정밀하게 샘플링을 수행한다. 그림 6은 기존 아날로그 방식 대비 디지털 방사선 검출기의 시스템 구성 차이를 보여준다.
- Pulse 측정값 검출 방법은 그림 8를 통해 나타내었다. 방사선 센서의 값을 입력받을 때, 초기값을 저장하고 연속해서 들어오는 새로운 값을 저장된 값과 비교한다. 이후 새로운 값이 저장된 값보다 크다면 저장된 값을 새로운 값으로 갱신하여 비교를 반복하고, 새로운 값이 저장된 값보다 작다면 저장된 값을 Pulse 측정값으로 저장하여 찾고자 하는 Pulse의 측정값을 획득한다.
- 방사선 센서의 값을 입력받을 때, 초기값을 저장하고 연속해서 들어오는 새로운 값을 저장된 값과 비교한다. 이후 새로운 값이 저장된 값보다 크다면 저장된 값을 새로운 값으로 갱신하여 비교를 반복하고, 새로운 값이 저장된 값보다 작다면 저장된 값을 Pulse 측정값으로 저장하여 찾고자 하는 Pulse의 측정값을 획득한다.
- 상기의 수식으로 보정값을 구한 뒤, 미지의 핵종을 검출하기 위한 시험 진행에 그 값을 적용하여 온도 변화에 따른 Scintillator의 출력을 보정해주고 핵종을 판별하게 된다. 특정 시료를 이용한 온도 보정 알고리즘은 그림 10을 통해 나타내었다.
- 안정적인 전원 공급을 위한 파워서플라이, 방사선 시료에서 방출되는 감마선을 검출하기 위한 방사선 센서, 감마선을 방출하는 핵종별 시료, 신호 분석을 위한 A9 기반의 임베디드 플랫폼이 적용되었다.
- 본 연구에서는 기존 아날로그 휴대용 방사선 검출기에서 신호의 감지를 위한 Pulse Shaping Board와 온도 센서를 소프트웨어로 대체하여 Pulse의 측정값을 찾고, Scintillator의 온도 변화 효율을 보정하는 알고리즘을 구현하였다.
대상 데이터
- 보정식은 일련의 루틴을 통해 보정값을 구한 후 에너지 spectrum을 보정한다. 보정값의 계산에 사용되는 시료의 에너지는 어떤 핵종의 에너지를 적용하여도 무방하며, 본 연구에서는 Cs-137 시료를 활용하여 시험을 진행하였다.
- 방사선 센서는 NaI(Scintillator), 광전자증배관, 전치 증폭기로 구성된 제품을 사용하였다. 휴대용으로 보유하며 핵종을 판별해야 하므로 이동성과 판별의 정확도를 고려하여 3x3 inch의 크기를 가진 ORTEC사의 Scintillator를 사용하였다.
- 방사선 센서는 NaI(Scintillator), 광전자증배관, 전치 증폭기로 구성된 제품을 사용하였다. 휴대용으로 보유하며 핵종을 판별해야 하므로 이동성과 판별의 정확도를 고려하여 3x3 inch의 크기를 가진 ORTEC사의 Scintillator를 사용하였다. 해당 센서는 High Voltage 회로와 전치증폭기가 포함되어 있기에 신호의 증폭을 위한 별도의 아날로그 회로 없이 적절한 증폭률을 설정하여 디지털 휴대용 방사선 검출기를 구현할 수 있다.
- 실험에는 결과가 명확하게 보일 만큼 충분한 세기를 방출하는 감마선 핵종들의 시료를 사용하였다. Ba-133, Na-22, Cs-137 시료를 사용했으며 그림 12, 그림 13, 그림 14는 측정 결과를 그래프로 보여준다.
- 실험에는 결과가 명확하게 보일 만큼 충분한 세기를 방출하는 감마선 핵종들의 시료를 사용하였다. Ba-133, Na-22, Cs-137 시료를 사용했으며 그림 12, 그림 13, 그림 14는 측정 결과를 그래프로 보여준다.
- 그림 15은 처음 특정 시료를 이용해 보정값을 설정하는 단계이다. 보정값을 구할 때 사용하는 특정 시료는 사용자가 소프트웨어를 통해 선택할 수 있으며 본 실험에서는 Cs-137의 에너지를 기준으로 설정하였다. Cs-137시료를 이용해 측정했을 때, 약 594Kev에서 나타나고 있다.
- 그림 17, 18, 19는 저온, 상온, 고온 환경에서 미지의 핵종에 대한 보정값 적용 전/후 측정 결과를 보여준다. 실험은 Cs-137 시료를 적용하여 진행하였다.
성능/효과
- 본 연구에서 사용된 NaI는 보편적으로 많이 사용되고 있으며 이것은 감마선에 대한 검출효율이 높고 형광 효율도 비교적 크다.
- 그림 1을 보면 Scintillator는 온도가 변화하면 방사선 센서의 변환효율이 변화하는 특성을 가지고 있다[1]. 30도일 때 변환효율이 최대이며, 저온영역에서는 1도가 감소할 때마다 변환효율이 0.3%씩 감소하고, 고온영역에서는 1도가 증가할 때마다 변환효율이 0.23%씩 감소한다. 또한, 고에너지 대역에서는 저효율변환, 저에너지 대역에서는 고효율 변환 특성을 가진다[2].
- 온도 변화가 발생하면, 661KeV에서 최고치를 표현해야 할 Cs-137을 511KeV에서 최고치를 표현하여 Na-22 시료로 오 판단할 수 있다. 또한, 자연방사선과 Cs-137의 저에너지 대역 성부 때문에 100~200KeV 대역에서도 최고치가 표현됨을 확인 할 수 있는데, 이는 Scintillator가 저에너지 대역에서 효율이 높은 특성 때문에 나타나는 현상이다.
- 시험 결과 각 핵종이 지닌 감마선 에너지의 크기에 따라 에너지 spectrum이 특정 위치에서만 크게 검출되는 것을 확인할 수 있다. 검출된 Pulse 측정값의 빈도수를 판단하여 방사선 핵종의 검출이 가능하다.
- Na-22는 511Kev에서 측정이 되어야 정상이지만 잘못된 측정결과로 인해 정확한 핵종 판단이 이루어지지 않는다. 이를 해결하기 위해 보정값을 적용하면 정상적으로 약 512KeV에서 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 90을 설정한다. 새로 측정한 미지의 핵종에 보정값이 적용되면 온도의 변화로 인해 발생한 Scintillator의 오차를 보정하여 해당 핵종은 약 658KeV에 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 91를 설정한다. 새로 측정한 미지의 핵종에 보정값이 적용되면 온도의 변화로 인해 발생한 Scintillator의 오차를 보정하여 해당 핵종은 정상적으로 약 662KeV에 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 방사선 센서 정밀도의 영향으로 이론적 에너지의 크기 대비 10Kev 내 오차가 존재하나, 핵종의 판별에는 영향을 끼치지 않는다. 실험결과 저온, 상온, 고온영역 모두 정상적으로 Pulse 측정값이 보정된 것을 확인할 수 있다.
- 91을 설정한다. 새로 측정한 미지의 핵종 Ba-133, Cs-137에 보정값이 적용되면 온도 때문에 발생한 Scintillator의 오차를 보정하여 두 핵종은 정상적으로 약 270KeV와 661KeV에서 나타나는 것을 확인할 수 있다. 실험 결과 두 가지 시료 동시 측정에서도 보정이 정상적으로 이루어진 것을 확인할 수 있다
- 새로 측정한 미지의 핵종 Ba-133, Cs-137에 보정값이 적용되면 온도 때문에 발생한 Scintillator의 오차를 보정하여 두 핵종은 정상적으로 약 270KeV와 661KeV에서 나타나는 것을 확인할 수 있다. 실험 결과 두 가지 시료 동시 측정에서도 보정이 정상적으로 이루어진 것을 확인할 수 있다
후속연구
- 현재 방사선 센서에서 사용되는 PMT는 빛을 전기적인 신호로 변환해주는 역할을 하는데, PMT는 부피가 크고 무게가 많이 나가 휴대용 방사선 검출 시스템의 단점이 된다. 향후 PMT를 Photo diode를 대체하여 적용한다면 이 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. Photo diode는 PMT와 같은 기능을 하는 것으로, 부피가 매우 작고 구동에 사용되는 전압이 약 50v면 충분하기 때문에 PMT의 High Voltage 대비 효율이 높다.
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