KR100588332B1

KR100588332B1 - 전자식 방사선피폭 개인선량계

Info

Publication number: KR100588332B1
Application number: KR1020050124622A
Authority: KR
Inventors: 김광현
Original assignee: 현대원자력 주식회사
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2006-06-12

Abstract

본 발명은 전자식 방사선피폭 개인선량계에 관한 것으로, 그 목적은 방사선의 피폭정도를 전기신호로 만드는 포토센서부로 고감도의 센서로 구성하고, 신호처리부를 CMOS 공정을 이용하여 동시에 집적화시킨 단일 일체형으로 구성함으로써 신호대 잡음비를 크게 개선함은 물론 방사선피폭에 대한 선량값을 정확하고 빠르게 알려주는 동시에 부피 및 무게를 현저히 줄여 초경량화할 수 있을 뿐만 아니라 작업생산성을 현저히 향상시키는 한편 제작단가를 크게 낮출 수 있는 전자식 방사선피폭 개인선량계를 제공하는 것이며, 그 구성은 금속필터와, 상기 금속필터를 통과하여 인입되는 방사선에 의해 전자 및 정공 쌍이 생성되고, 여기에 가이거 모드 영역(Sub-Geiger Mode Region) 바로 이하의 비례계수영역(Proportional Counting Mode Region)에 도달하는 적정량의 역방향 바이어스를 인가하여 전자는 음극 쪽으로, 정공은 양극 쪽으로 이동하며, 이동하는 전자에 의해 전자 증폭이 발생되고, 이 전자 증폭에 비례하는 전류를 발생하여 출력하는 아발란치 포토다이오드와, 상기 아발란치 포토다이오드에서 발생 가능한 과전류를 수동 또는 능동소자를 이용하여 방지하여 주는 방전회로와, 상기 아발란치 포토다이오드 및 방전회로를 통해 출력된 전류를 아날로그 전압 신호로 변환 및 증폭하여 출력하는 전하민감형 전치증폭기와, 상기 전하민감형 전치증폭기로부터 출력된 아날로그 전압펄스를 입력 받아 디지털 펄스로 변환하고, 입사된 방사선의 에너지 및 개수에 비례하는 양을 정량화하여 출력하는 디지털 펄스 세이프 및 디바이더와, 상기 전하민감형 전치증폭기로 부터 출력된 아날로그 전압펄스를 입력 받고, 입사된 방사선의 에너지 및 개수에 비례하지 않는 양을 정량화 하고, 롬에 이미 저장된 디지털 펄스의 개수에 대한 선량(Dose) 값과, 이전에 입력된 선량 값을 비교하여 이에 대한 비교데이터를 출력하는 단일채널분석기와, 롬에 저장된 디지털 값을 아날로그 신호로 변환하여 상기 단일채널분석기로 제공하는 디지털 아날로그 변환기와, 상기 단일채널분석기로부터 출력되는 비교데이터 신호를 입력받아 저장하고, 상기 디지털 펄스 세이프 및 디바이더로부터 출력되는 정량화 신호 값을 디스플레이장치로 출력하는 마이크로프로세서 및 메모리와, 디지털 펄스 수에 대한 선량 값(디지털 값)을 저장하고 있는 롬과, 상기 마이크로프로세서 및 메모리로부터 출력된 신호에 의해 선량 값을 표시하는 디스플레이장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

CMOS 공정, 전자식 방사선피폭 개인선량계, 아발란치 포토다이오드, 단일 일체형, 신호처리부

Description

전자식 방사선피폭 개인선량계{An electronic personal dosimeter}

도 1은 본 발명에 따른 전자식 방사선피폭 개인선량계의 구성을 예시한 블록도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 금속필터 2: 아발란치 포토다이오드

3: 방전회로 4: 전하 민감형 전치증폭기

5: 디지털 펄스 셰이프와 디바이더 6: 단일채널분석기

7: 디지털-아날로그 변환기 8: 마이크로프로세스와 메모리

9: 리드온리메모리 10: 단일 칩(One-Chip)

11: 디스프레이 장치

본 발명은 원자력 발전소 및 산업분야, 의료분야 등에서 방사선 취급업무에 종사하는 종사자의 효과적인 개인의 방사선 피폭 관리를 위하여 사용되는 능동형 선량계(Active Dosimeter)중 전자식 방사선피폭 개인선량계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방사선의 피폭정도를 전기신호로 만드는 포토센서부로 고감도의 센서로 구성하고, 신호처리부를 CMOS 공정을 이용하여 동시에 집적화시킨 단일 일체형으로 구성함으로써 신호대 잡음비를 크게 개선함은 물론 방사선피폭에 대한 선량값을 정확하고 빠르게 알려주는 동시에 부피 및 무게를 현저히 줄여 초경량화할 수 있을 뿐만 아니라 작업생산성을 현저히 향상시키는 한편 제작단가를 크게 낮출 수 있는 구조를 갖도록 한 전자식 방사선피폭 개인선량계에 관한 것이다.

일반적으로, 능동형 개인선량계인 종래의 전자식 방사선피폭 개인선량계로는 1) 에너지보상형 GM계수관을 이용한 전자식 방사선피폭 개인선량계와, 2) 에너지 보상형 Si 다이오드(diode)(PIN형 포토 다이오드) 검출기를 채용한 전자식 방사선피폭 개인선량계가 있다.

상기 종래의 에너지 보상형 GM계수관을 이용한 전자식 방사선피폭 개인선량계는 GM계수관 벽물질 외곽에 저에너지 광자를 감쇄시키는 물질(Pb, Sn, Cu 등)을 부착하여 검출기의 유효체적내에 도달하는 저에너지 광자를 감소시킴으로써 측정하고자 하는 에너지 영역(수십 keV 내지 수 MeV)에서 광자의 감응도를 평탄화한 에너지 보상형 필터를 채용한 소형의 GM계수관을 사용하여 계수관내로 입사하는 방사선의 전리작용에 의해 생성되는 전자에 고전압을 인가하여 발생되는 가스 증폭을 계수관 중심에 있는 양극에서 수집하는 검출기와 검출기로부터 출력된 신호는 펄스의 형성 및 신호를 증폭하는 전치 증폭기와 주증폭기로 구성되는 미세신호처리전자회로 등의 후속 전자회로와 기타 경보장치, LCD표시장치, 선량계를 제어하는 마이크로 프로세서 및 메모리 장치 등을 조합하여 제작되고 있다.

상기 종래의 Si 다이오드(PIN형 포토다이오드) 검출기를 채용한 전자식 방사 선피폭 개인선량계는 공핍영역에 입사한 방사선에 의해 생성된 전하를 수집하여 방사선을 계측하는 원리(고체 전리)를 이용한 PN반도체의 PN접합 사이에 고순도 반도체(Intrinsic Semiconductor)를 넣어 공간 전하 영역을 크게 한 것으로, PIN 반도체 검출기는 일반적으로 수 kcm의 고순도 실리콘 웨이퍼의 일면에는 p+층을 형성시키기 위해 B(Boron)을 주입(implantation)하고 타면에는 n+층을 형성시키기 위해 P(phosphorous)를주입하여 제작하고 검출기의 앞면에 에너지 보상형 필터를 설치하여 개인피폭선량 측정용 선량계에 사용하고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 전자식 방사선피폭 개인선량계는 에너지 보상형 GM 검출기와 신호처리를 담당하는 후속전자회로가 독립적으로 존재(최소 8개의 독립 영역)하므로 선량계의 크기가 크고 무거우며 방사선 에너지와 측정 범위의 한계가 있다는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 전자식 방사선피폭 개인선량계는 전자식 개인선량계와 인체조직과는 방사선 에너지에 따라서 다른 반응 (radiation response) 특성을 보이는데 이런 문제를 해결하기 위한 방법으로 선량계 전단부에 금속 필터를 사용하여 선량계와 인체조직의 에너지에 따른 응답특성을 비슷하게 하데 종래의 이러한 방법은 방사선에너지에 따른 응답특성을 어느 정도 보정 할 수 있으나 금속 필터의 두께에 의해 낮은 에너지는 차단돼서 센서영역에 방사선이 들어오는 양이 적어 센서의 민감도가 낮고 신호대 잡음비가 좋지 않은 경우 저 에너지에 대한 인체의 선량값을 지시 할 수 없다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 고려하여 안출한 것으로써, 그 목적은 방사선의 피폭정도를 전기신호로 만드는 포토센서부로 고감도의 센서로 구성하고, 신호처리부를 CMOS 공정을 이용하여 동시에 집적화시킨 단일 일체형으로 구성함으로써 신호대 잡음비를 크게 개선함은 물론 방사선피폭에 대한 선량값을 정확하고 빠르게 알려주는 동시에 부피 및 무게를 현저히 줄여 초경량화할 수 있을 뿐만 아니라 작업생산성을 현저히 향상시키는 한편 제작단가를 크게 낮출 수 있는 전자식 방사선피폭 개인선량계를 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 금속필터와, 상기 금속필터를 통과하여 인입되는 방사선에 의해 전자 및 정공 쌍이 생성되고, 여기에 가이거 모드 영역(Sub-Geiger Mode Region) 바로 이하의 비례계수영역(Proportional Counting Mode Region)에 도달하는 역방향 바이어스를 인가하여 전자는 음극 쪽으로, 정공은 양극 쪽으로 이동하며, 이동하는 전자에 의해 전자 증폭이 발생되고, 이 전자 증폭에 비례하는 전류를 발생하여 출력하는 아발란치 포토다이오드와, 상기 아발란치 포토다이오드에서 발생 가능한 과전류를 수동 또는 능동소자를 이용하여 방지하여 주는 방전회로와, 상기 아발란치 포토다이오드 및 방전회로를 통해 출력된 전류를 아날로그 전압 신호로 변환 및 증폭하여 출력하는 전하민감형 전치증폭기와, 상기 전하민감형 전치증폭기로부터 출력된 아날로그 전압펄스를 입력 받아 디지털 펄스로 변환하고, 입사된 방사선의 에너지 및 개수에 비례하는 양을 정량화하여 출력하는 디지털 펄스 세이프 및 디바이더와, 상기 전하민감형 전치증폭기로부터 출력된 아날로그 전압펄스를 입력 받고, 입사된 방사선의 에너지 및 개수에 비례하지 않는 양을 정량화 하고, 롬에 이미 저장된 디지털 펄스의 개수에 대한 선량(Dose) 값과, 이전에 입력된 선량 값을 비교하여 이에 대한 비교데이터를 출력하는 단일채널분석기와, 롬에 저장된 디지털 값을 아날로그 신호로 변환하여 상기 단일채널분석기로 제공하는 디지털 아날로그 변환기와, 상기 단일채널분석기로부터 출력되는 비교데이터 신호를 입력받아 저장하고, 상기 디지털 펄스 세이프 및 디바이더로부터 출력되는 정량화 신호 값을 디스플레이장치로 출력하는 마이크로프로세서 및 메모리와, 디지털 펄스 수에 대한 선량 값(디지털 값)을 저장하고 있는 롬과, 상기 마이크로프로세서 및 메모리로부터 출력된 신호에 의해 선량 값을 표시하는 디스플레이장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 방사선피폭 개인선량계에 의해 달성될 수 있는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전자식 방사선피폭 개인선량계에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전자식 방사선피폭 개인선량계의 구성을 예시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 다른 전자식 방사선피폭 개인선량계는 방사선작업자가 위치한 방사선 환경 내에서의 방사선은, 금속 필터 (Metal Filter)(1)을 통과하여 시모스 아발란치 포토다이오드(Avalanche Photodiode-APD)(2)(이하, "APD"라 칭함)에 도달하여 전자-정공 쌍(Electron-Hole Pair)을 생성한다. 이때 APD(2)에 역방향 바이어스(Reverse Bias)를 걸어 주는데, 전자는 APD(2)의 음극쪽으로 정공은 APD(2)의 양극쪽으로 이동하게 되며, 이동하는 전자에 의해 APD(2) 내에서 전자 증폭이 이루어진다. 역방향 바이어스를 점점 높이면 전자 증폭이 최대치에 이르며 초기 전자의 수에 대한 전자 증폭 이득 (Gain)이 최대치가 되며, 전류가 증가하게 되고 APD(2)의 직렬 저항(Series Resistance) 때문에 전압 강하가 증가한다. 이와 같은 영역을 가이거 모드 영역(Geiger Mode Region)이라고 하고 이때 출력전류는 입사 방사선의 양 및 에너지에 비례하지 않게 된다. 그러나, 가이거 모드 영역 이하에 이르는 역방향 바이어스를 주게 되면 입사 방사선의 양 및 에너지에 비례하는 비례 계수 영역(Proportional Counting Mode Region)에 동작하게 되어 종래의 센서보다 더 민감하면서도 입사된 방사선의 양 및 에너지에 대한 선량 정보를 전류형태로 발생시킬 수 있다. 이때 발생 가능한 과전류(Over Current)는 케페시터(Capacitor)를 이용한 수동 소자(Passive Device)나 트렌지스터(Transistor)와 케페시터(Capacitor)를 이용한 능동 소자(Active Device)로 구현 가능한 방전회로 (Quenching Circuit)(3)에 의해 방지되고 전하 민감형 전치증폭기(Charge Sensitive Preamplifier-CSA)(4)에 적정량의 전류가 유입되어 아날로그 형태의 전압으로 출력됨과 동시에 증폭(Amplification)된다. 출력된 전압은 아날로그 펄스 형태로서 디지털 펄스 셰이프와 디바이더(Digital Pulse Shape & Divider)(5)와 단일채널분석기 (Single Channel Analyzer-SCA)(6)에 동시에 유입된다. 디지털 펄스 셰이프와 디바이더에 유입된 아날로그 전압 펄스는 디지털 펄스 값으로 전환되고 입사된 방사선의 에너지 및 개수에 비례하는 양을 정량화 시키고, 또한 단일채널분석기(Single Channel Analyzer-SCA)(6)(이하, "SCA"라 칭함)에 유입된 아날로그 전압 펄스는 SCA(6) 내의 특정 상한선(Upper Level Discriminator)과 하한선(Low Level Discriminator) 내에 들어오는 정도를 비교하여 입사된 방사선의 에너지 및 개수에 비례하지 않는 양을 정량화 시킨다. 이때 SCA(6)에 연결된 리드온리메모리(Read Only Memory-ROM)(9)에서는 디지털 펄스 수에 대한 선량(Dose) 값(디지털 값)을 미리 인식시켜 마이크로프로세스와 메모리(Micro-Process & Memory)(8)에 저장 및 전달하여 디지털 펄스 셰이프와 디바이더에서 정량화한 값과 함께 최종적으로 LCD와 같은 디스프레이 장치(Display)(11)를 통해 입사된 방사선의 에너지 및 양에 대한 선량값을 지시하게 된다.

본 발명에 따른 전자식 방사선피폭 개인선량계는 아발란치 포토다이오드(Avalanche Photodiode-APD)(2)를 포토센서부로 구성하고, 비례 계수 영역(Proportional Counting Mode Region)에서 동작하게 하여 종래 기술에서 사용하는 포토센서부 보다 저에너지 민감도를 높이고 입사방사선에 대한 비례적인 선량값을 보장한다. 이때 APD(2)는 일반 포토다이오드 공정과 상보형 금속 산화 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor-CMOS) 공정에서 제작 가능하나, 일반 포토다이오드 공정에서 제작 가능한 APD(2)는 종래 기술 보다 민감도를 높일 수 있으나, 종래 기술과 같이 각각의 신호처리부 구성품을 별도로 구성 및 제작하여 APD(2)와 도선 결합(Wire Bonding) 및 보드 결합(Board Bonding) 등의 부가적인 작업이 요구되어 제작 원가의 저감화 한계, 부피 및 무게의 최소화 한계, 신호대 잡음비 극대화의 한계가 있다.

따라서 본 발명에 따른 잔자식 방사선피폭 개인선량계는 단일 일체화(One- Chip) 및 제작 단가의 우수성을 갖는 CMOS 공정을 이용하여 APD(2)와 관련 신호처리부를 동시에 제작 단일 일체화(One-Chip) 하여, 제작 원가를 줄이고, 부피 및 무게의 감소를 이루고, 신호대 잡음비를 개선하여 저 에너지 방사선에 대한 측정 효율을 증가시키며, 사용 및 휴대의 편의성을 동시에 이룰 수 있는 것이다.

첨부도면중 미설명부호 7은 디지털-아날로그 변환기, 8은 마이크로프로세서 및 메모리, 10은 단일칩(One-Chip)을 나타낸다.

따라서, 본 발명에 따른 전자식 개인 선량계는 APD와 같이 고감도의 센서를 구성하고 CMOS 공정 기술을 이용하여 APD와 관련 신호처리부를 One-Chip화 할 경우 기존의 방식으로는 저에너지에 대한 인체의 선량값을 정확하게 지시할 수 없었으나 저 에너지에 대한 인체의 선량값을 정확하게 지시할 수 있어 장시간의 방사선 환경에서의 작업자에 대한 방사선 피폭량을 기록 관리 할 수 있는 효과를 갖는다.

또한 본 발명에 따른 전자식 개인 선량계는 CMOS 공정 기술로 센서부와 관련 신호처리부를 동시에 구현할 경우 제작 편의성 및 제작 원가를 줄일 수 있으며, 그 구조상 부피 및 무게를 획기적으로 줄일 수 있어 종래의 전자식 개인선량계에 비교하여 방사선 작업자의 착용성을 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

금속필터(1)와,

상기 금속필터(1)를 통과하여 인입되는 방사선에 의해 전자 및 정공 쌍이 생성되고, 여기에 가이거 모드 영역 바로 이하(Sub-Geiger Mode Region)의 비례계수영역(Proportional Counting Mode Region)에 도달하는 역방향 바이어스를 인가하여 전자는 음극 쪽으로, 정공은 양극 쪽으로 이동하며, 이동하는 전자에 의해 전자 증폭이 발생되고, 이 전자 증폭에 비례하는 전류를 발생하여 출력하는 아발란치 포토다이오드(2)와,

상기 아발란치 포토다이오드(2)에서 발생 가능한 과전류를 수동 또는 능동소자를 이용하여 방지하여 주는 방전회로(3)와,

상기 아발란치 포토다이오드(2) 및 방전회로(3)를 통해 출력된 전류를 아날로그 전압 신호로 변환 및 증폭하여 출력하는 전하민감형 전치증폭기(4)와,

상기 전하민감형 전치증폭기(4)로부터 출력된 아날로그 전압펄스를 입력 받아 디지털 펄스로 변환하고, 입사된 방사선의 에너지 및 개수에 비례하는 양을 정량화하여 출력하는 디지털 펄스 세이프 및 디바이더(5)와,

상기 전하민감형 전치증폭기(4)로부터 출력된 아날로그 전압펄스를 입력 받고, 입사된 방사선의 에너지 및 개수에 비례하지 않는 양을 정량화 하고, 롬(9)에 이미 저장된 디지털 펄스의 개수에 대한 선량(Dose) 값과, 이전에 입력된 선량 값을 비교하여 이에 대한 비교데이터를 출력하는 단일채널분석기(6)와,

롬(9)에 저장된 디지털 값을 아날로그 신호로 변환하여 상기 단일채널분석기(6)로 제공하는 디지털 아날로그 변환기(7)와,

상기 단일채널분석기(6)로부터 출력되는 비교데이터 신호를 입력받아 저장하고, 상기 디지털 펄스 세이프 및 디바이더(5)로부터 출력되는 정량화 신호 값을 디스플레이장치(11)로 출력하는 마이크로프로세서 및 메모리(8)와,

디지털 펄스 수에 대한 선량 값(디지털 값)을 저장하고 있는 롬(9)과,

상기 마이크로프로세서 및 메모리(8)로부터 출력된 신호에 의해 선량 값을 표시하는 디스플레이장치(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 방사선피폭 개인선량계.
제1항에 있어서, 상기 아발란치 포토다이오드(2), 방전회로(3), 전하민감형 전치증폭기(4), 디지털 펄스 세이프 및 디바이더(5), 단일채널분석기(6), 디지털 아날로그 변환기(7), 마이크로프로세서 및 메모리(8), 롬(9)은 CMOS 공정에 의해 원칩(One-Chip)으로 형성된 것을 특징으로 하는 전자식 방사선피폭 개인선량계.