KR100437864B1 - 변위손상을 이용하는 반도체형 중성자 탐지소자의열화현상 방지 방법 및 그 장치 - Google Patents

변위손상을 이용하는 반도체형 중성자 탐지소자의열화현상 방지 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변위손상을 이용하는 반도체형 중성자 탐지소자의 열화현상 방지 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 그 목적은 격자손상(Displacement Damage)의 원리를 이용하여 중성자를 측정하는 반도체(다이오드)에서 발생되는 열화(Annealing) 현상에 의한 피폭 중성자 선량 정보의 손실을 '최대치 유지 및 순간 증감 변화값의 선택적 누적'의 원리를 적용하여 열화에 의한 손실을 방지하도록 하는 제어방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 구성은 변위손상 효과를 사용한 반도체를 이용한 중성자 탐지방법에 있어서, 반도체형 중성자 탐지 소자(A)에서 중성자를 탐지하고, 이와 연결된 중성자 피폭선량 측정기(B)에서 열화 현상으로 인한 반도체 중성자 탐지소자(A)에 기억된 중성자 피폭량의 정보가 손실되는 것을 방지하기 위하여 초기 시간(t0)에서의 중성자 피폭선량(D)을 나타내는 1단계(1)와, 상기 1단계 후 다음 측정시간으로 진행하는 2단계(2)와, 상기 2단계 후 측정 시간 전후에서의 피폭선량(D)의 증감을 비교하는 3단계(3)와, 상기 3단계 후 피폭선량(D)이 증가한 경우 이전 선량값에서 증가한 양(ΔD)을 누적한 후 다음 측정시간인 2단계로 진행하는 4단계(4)와, 상기 3단계 후 피폭선량(D)이 감소한 경우 이전 선량값을 유지한 후 다음 측정시간인 2단계로 진행하는 5단계(5)의 과정을 거쳐 열화현상에 의한 피폭 중성자 선량 정보의 손실을 방지하면서 탐지하는 것을 특징으로 하는 변위손상을 이용하는 반도체형 중성자 탐지소자의 열화현상 방지 방법 및 그 장치를 기술적 요지로 한다.

Description

변위손상을 이용하는 반도체형 중성자 탐지소자의 열화현상 방지 방법 및 그 장치{Method and apparatus for the Prevention of Fading Phenomena in Semiconductor type Neutron Detector using Displacement Damage in Detection}
본 발명은 변위손상을 이용하는 반도체형 중성자 탐지소자의 열화현상 방지 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 자세하게는 열화현상에 의해 발생되는 피폭 중성자 선량 정보의 손실을 방지하는 탐지방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 변위손상을 이용하여 속중성자의 피폭 선량을 측정하는 중성자 탐지용 반도체(PIN 다이오드)의 경우 도 1의 설명과 같이 중성자의 피폭에 따라 소자 내부에 발생된 변위손상이 반도체 외부에 인가된 전계에 영향을 주어 소자의 저항과 전압의 전기적 특성을 변화시키게 되는데, 이 변화와 피폭된 중성자의 선량과는 선형적이므로, 결국 소자의 전기적 특성을 계측함으로써 피폭되는 중성자의 양을 간접적으로 측정하도록 개발되어 있다.
중성자 피폭에 의해 소자의 내부에 발생된 결함인 공극(Vacancy)과 간극(Interstitial)은 온도의 변화에 민감할 뿐만 아니라 상온에서의 시간 경과에 따라 서로 재결합하는 경향, 즉 소자의 열화(Fading) 현상은 이와 같은 방식의 측정 방법에 있어서 피할 수 없는 문제점이다.
도 2의 실험결과에서 나타난 바와 같은 이 특성은 소자에 기억된 중성자 피폭량에 대한 정보의 손실을 가져오게 되어 실제 피폭된 중성자 선량보다 감소된 값을 나타내게 되므로 반도체(다이오드)를 이용하여 중성자를 계측하는 중성자 탐지소자의 탐지기 구현에 있어서 큰 단점으로 알려져 있다.
기존의 변위손상을 이용하는 방식의 중성자 탐지기에서는 열화에 의해 손실되는 정보를 무시하고 사용하거나, 일정 시간 후 재사용시 피폭된 총 방사선의 정보를 영(zero, '0')으로 리셋한 후 사용함으로써 열화현상에 의한 문제점을 수동적으로 대처하거나 무시하고 있다.
그러나 열화현상에 의한 정보의 오차정보가 누적되어 사용되어야 하는 경우 상당한 오차로 작용을 하게 되고, 더욱이 인체에 치명적인 영향을 미치게 되는 심각한 문제점이 될 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 격자손상의 원리를 이용하여 중성자를 측정하는 반도체(다이오드)에서 발생되는 열화현상에 의한 피폭 중성자 선량 정보의 손실을 '최대치 유지 및 순간 증감 변화값의 선택적 누적'의 원리를 적용하여 열화에 의한 손실을 방지하도록 하는 제어방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적은 중성자 탐지 소자에서 측정된 중성자 선량을 시간과 온도의 변화에 무관하게 정확성을 유지하도록 하기 위해 최대 선량값 측정과 선량값의 순간 변화량 제어 방법을 사용함으로써 열화현상을 방지하는 방법과 이를 구현한 중성자 탐지용 반도체 소자와 이로부터 중성자 피폭정보를 관리 및 제어하여 열화에 의한 손실을 방지하도록 프로그래밍 된 제어 프로그램이 내장된 탐지장치로 구성된 장치를 제공함으로써 달성된다.
도 1은 종래 PIN형 다이오드 반도체에 대한 중성자 조사량에 따른 문턱전압 변화를 보인 그래프,
도 2는 종래 PIN형 다이오드 반도체에 방사선 조사 후 시간변화에 따른 전압의 변화를 보인 그래프,
도 3은 본 발명 장치구성의 개념도,
도 4는 지속적인 중성자 피폭시 시간 경과에 따른 측정시간 전후에서의 순간 선량 변화량을 보인 그래프,
도 5는 본 발명 제어방법의 처리순서를 보인 순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(A) ; 반도체형 중성자 탐지소자
(B) : 중성자 피폭 선량 측정기
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에서 적용하고자 하는 반도체 소자와 이 소자에 전계를 인가하여 소자의 중성자 피폭에 의한 전기적 변화특성을 측정하고 제어하는 탐지기의 간략한 구성을 보인 예시도를 도시하고 있는데, 본 발명의 구성은 중성자를 탐지하는 반도체형 중성자 탐지 소자(A)와 이와 연결되어 열화 현상으로 인해 반도체 중성자 탐지소자에 기억된 중성자 피폭량의 정보가 손실되는 것을 방지하는 프로그램이 내장된 중성자 피폭선량 측정기(B)로 이루어져 있다.
상기 탐지소자(a)의 구성은 중성자를 탐지하기 위한 용도의 PIN 다이오드 반도체 소자와 이 소자에 측정용 전류를 인가할 수 있는 스위칭 회로 및 인가전류에 대한 PIN 다이오드의 출력전압을 측정할 수 있는 부하회로로 이루어진다.
상기 중성자 피폭선량 측정기(B)의 구성은 PIN 다이오드 소자에 인가하기 위한 일정 정전류를 디지털 값으로 생성(Generation)하는 부분과 생성된 디지털 전류를 중성자 탐지소자에 인가할 수 있도록 아날로그 신호로 변환하는 부분과 인가된 전류값에 대해 PIN 다이오드 양단에 형성된 출력 전압값을 측정하여 디지털 값으로 변환하여 프로세서로 입력하는 부분과 측정된 전압값을 해당하는 중성자 선량값으로 변환하고 탐지소자의 열화현상에 의해 발생되는 선량정보의 손실을 방지하도록 하는 알고리듬이 구현된 프로세서부와 피폭 중성자 선량정보가 출력되는 LCD(Liquid Crystal Display)로 이루어진다.
도 4의 구간①에서는 중성자의 피폭이 지속될 경우로서 이 구간 내에서의 시간이 경과함에 따라 측정시간 전후에서의 순간 선량 변화량은 양(+)의 값을 유지하게 되고, 중성자 선량값은 계속 최대치에 따라 갱신된다.
그러나 시간 t1에서 중성자의 피폭이 중지되면 구간②에서는 그래프에서와 같이 시간의 경과에 탐지소자에 저장된 정보가 반도체의 열화현상에 의해 서서히 손실된다. 시간 t2에 이르게 되면 지금까지 개발된 일반 중성자 탐지기는 피폭된 중성자의 지시값을 p2로 표시하여 실제 피폭량으로부터 p1-p2만큼 감소된 것으로 표시하여 이 값만큼 오차가 발생된다.
이 오류를 보상하는 방법으로 본 발명에서는 임의 시간 전후에서의 순간 선량 변화량이 감소(-)를 나타내는 구간에서는 선량값의 누적을 무시하는 방법을 사용하게 하였다.
이 경우 t2에서의 중성자 선량값은 p1, 즉 이전 최대 선량값을 계속 유지하게 된다. 이 후 시간 t2에서 다시 중성자의 피폭이 시작되면 중성자 선량의 전 후 증가량이 양(+)의 값으로 반전되고, 이때부터 이전의 최대치 p1에서 구간③에서 증가되는 중성자 피폭량의 증가량을 계속 누적하게 된다.
본 발명을 적용하면 탐지소자에서의 열화현상에 의한 손실 없이 피폭 중성자 선량값을 정확히 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명 제어방법의 처리순서를 보인 순서도로서, 상기 본 발명을 도식으로 다시 설명하자면,
초기 시간(t0)에서의 중성자 피폭선량(D)을 나타내는 1단계(1)와,
상기 1단계 후 다음 측정시간으로 진행하는 2단계(2)와,
상기 2단계 후 측정 시간 전후에서의 피폭선량(D)의 증감을 비교하는 3단계(3)와,
상기 3단계 후 피폭선량(D)이 증가한 경우 이전 선량값에서 증가한 양(ΔD)을 누적한 후 다음 측정시간인 2단계로 진행하는 4단계(4)와,
상기 3단계 후 피폭선량(D)이 감소한 경우 이전 선량값을 유지한 후 다음 측정시간인 2단계로 진행하는 5단계(5)의 과정으로 이루어진다.
본 발명은 기존 방식의 변위손상 효과를 사용한 중성자 탐지기에서의 단점을 해결한 것으로써 중성자 탐지기의 신뢰도를 향상시킴과 동시에 방사선 가운데 상대적으로 위험하다고 알려진 중성자의 피폭 정보를 정확히 제공함으로써 작업자의 안전성을 크게 향상시킨 것이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
상기와 같은 본 발명은 원자력 발전소 등 원자력 발전관련 시설에서 및 방사선 시험, 특히 안전성이 매우 강조되는 환자 치료시설 및 고준위 방사선 적업 환경 등에서 적용이 가능하다는 장점이 있다.
또한 본 발명은 기존 반도체형 중성자 선량계 가운데 변위손상 효과형의 중성자 탐지기에서 신뢰도와 안전성을 증대시킬 수 있다는 장점이 있어서 산업상 이용이 기대되는 발명인 것이다.

Claims (5)

  1. 변위손상 효과를 사용한 반도체를 이용한 중성자 탐지방법에 있어서,
    반도체형 중성자 탐지 소자(a)에서 중성자를 탐지하고, 이와 연결된 탐지소자 제어 및 측정용 중성자 측정기(b)에서 열화 현상으로 인한 반도체 중성자 탐지소자(a)에 기억된 중성자 피폭량의 정보가 손실되는 것을 방지하기 위하여 초기 시간(t0)에서의 중성자 피폭선량(D)을 나타내는 1단계(1)와, 상기 1단계 후 다음 측정시간으로 진행하는 2단계(2)와, 상기 2단계 후 측정 시간 전후에서의 피폭선량(D)의 증감을 비교하는 3단계(3)와, 상기 3단계 후 피폭선량(D)이 증가한 경우 이전 선량값에서 증가한 양(ΔD)을 누적한 후 다음 측정시간인 2단계로 진행하는 4단계(4)와, 상기 3단계 후 피폭선량(D)이 감소한 경우 이전 선량값을 유지한 후 다음 측정시간인 2단계로 진행하는 5단계(5)의 과정을 거쳐 열화현상에 의한 피폭 중성자 선량 정보의 손실을 방지하면서 탐지하는 것을 특징으로 하는 변위손상을 이용하는 반도체형 중성자 탐지소자의 열화현상 방지 방법.
  2. 변위손상 효과를 사용한 반도체를 이용한 중성자 탐지장치에 있어서,
    중성자를 탐지하는 반도체형 중성자 탐지 소자(a)와 이와 연결되어 열화 현상으로 인해 반도체 중성자 탐지소자에 기억된 중성자 피폭량의 정보가 손실되는것을 방지하는 프로그램이 내장된 탐지소자 제어 및 측정용 중성자 측정기(b)로 구성되니 것을 특징으로 하는 변위손상을 이용하는 반도체형 중성자 탐지소자의 열화현상 방지장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 중성자를 탐지하는 반도체형 중성자 탐지 소자(A)는 PIN 다이오드 반도체 소자와 이에 전류를 인가할 수 있는 스위칭 회로와 PIN 다이오드의 출력전압을 측정할 수 있는 부하회로로 구성된 것을 특징으로 하는 변위손상을 이용하는 반도체형 중성자 탐지소자의 열화현상 방지장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 중성자 피폭선량 측정기(B)는 PIN 다이오드 소자에 일정 정전류를 디지털 값으로 생성하는 부분과 생성된 디지털 전류를 중성자 탐지소자에 인가할 수 있도록 아날로그 신호로 변환하는 부분과 인가된 전류값에 대해 PIN 다이오드 양단에 형성된 출력전압값을 측정하여 디지털 값으로 변환한 다음 프로세서로 입력하는 부분과 측정된 전압값을 이에 해당하는 중성자 선량값으로 변환하고 탐지소자의 열화현상에 의해 발생되는 선량정보의 손실을 방지하도록 하는 알고리듬이 구현된 프로세서부와 피폭 중성자 선량정보가 출력되는 LCD(Liquid Crystal Display) 구성된것을 특징으로 하는 변위손상을 이용하는 반도체형 중성자 탐지소자의 열화현상 방지장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 프로그램이 내장된 탐지소자 제어 및 측정용 중성자 측정기(b)는
    초기 시간(t0)에서의 중성자 피폭선량(D)을 나타내는 1단계(1)와,
    상기 1단계 후 다음 측정시간으로 진행하는 2단계(2)와,
    상기 2단계 후 측정 시간 전후에서의 피폭선량(D)의 증감을 비교하는 3단계(3)와,
    상기 3단계 후 피폭선량(D)이 증가한 경우 이전 선량값에서 증가한 양(ΔD)을 누적한 후 다음 측정시간인 2단계로 진행하는 4단계(4)와,
    상기 3단계 후 피폭선량(D)이 감소한 경우 이전 선량값을 유지한 후 다음 측정시간인 2단계로 진행하는 5단계(5)를 거쳐 열화현상에 의한 피폭 중성자 선량 정보의 손실을 방지하도록 프로그래밍 된 것을 내장한 것을 특징으로 하는 변위손상을 이용하는 반도체형 중성자 탐지소자의 열화현상 방지장치.
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