KR100640251B1 - 엑스선 검색 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엑스선 검색 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 엑스선 선원을 저에너지와 고에너지의 펄스형태로 순차적으로 조사하는 엑스선 발생기; 발광시간 특성이 크게 다른 두 섬광체와 포토다이오드로 구성되는 섬광체 계측기; 섬광체 계측기에서 출력되는 전자신호를 저주파 신호와 고주파 신호로 구분하는 대역필터(Band-Pass Filter);를 포함하여 각 엑스선 펄스의 지속시간에 부합하는 발광시간을 갖는 신틸레이터에만 반응을 하게 함으로써, 검색물질에 대한 보다 효율적인 계측신호 획득 및 용이한 신호분리가 가능해져 기존 검색방법보다 더욱 선명한 영상을 제공할 수 있는 엑스선 검색 시스템과 그 제어방법에 관한 것이다.
엑스선, 검색, 펄스, 에너지, 신틸레이터, 대역필터, 주파수

Description

엑스선 검색 시스템 및 그 제어방법{X-ray Inspection System and method thereof}
도 1은 본 발명에 의한 엑스선 검색 시스템의 구성을 나타낸 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 섬광계측기의 구성을 나타낸 개략도,
도 3은 도 1에 도시된 엑스선 발생기에서 조사되는 엑스선 펄스의 패턴을 나타낸 그래프,
도 4는 도 2에 도시된 대역필터를 이용하여 주파수 분리법을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 엑스선 검색 시스템 제어방법의 동작 수순을 나타낸 흐름도, 그리고,
도 6은 종래의 검색장치의 에너지 분리법을 나타낸 그래프이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10: 엑스선 발생 장치 20: 콜리메이터
30: 다채널 섬광계측 시스템 31: 저에너지용 신틸레이터
32: 고에너지용 신틸레이터 33: 포토다이오드
40: A/D 컨버터 50: 메인 처리 유니트(MPU)
60: 피검색물 70: 대역필터
본 발명은 엑스선 검색 시스템에 관한 것으로서, 특히 엑스선 펄스 조절 및 섬광 계측기의 발광시간 특성을 이용하여 콘트라스트 차이가 선명한 영상을 제공할 수 있는 엑스선 검색 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
종래의 보안 검색 분야에 있어 가장 널리 쓰이고 있는 이중에너지(dual energy)방법은 엑스선을 검색물질에 투과시켜 나온 스펙트럼을 에너지 분별기(Energy Discriminator)를 사용하여 고에너지 부분과 저에너지 부분으로 분리한 후 이를 영상으로 제공하는 방법으로 기술 활용도가 높기는 하나, 유사한 유효 원자번호(Effective Atomic Number)를 갖는 물질들 간의 차이를 뚜렷이 구분할 만큼 선명한 영상을 제공해 주지 못하고 있다. 이는 고에너지와 저에너지 스펙트럼의 분리를 에너지 분별기를 사용하기 때문이다. 에너지 분별기를 사용하면 외부잡음(Noise)뿐 아니라 기준전압의 불안정으로 인해 분별의 오류가 발생하기 매우 쉽다.
즉, 도 6은 종래의 엑스선 검색장치에서 사용하는 에너지 분리법의 개략도로서. 도시하는 바와 같이 피검물을 투과한 펄스는 에너지분별기(7)에 의해 고에너지 신호(b)와 저에너지 신호(c)로 나누어지는데 기준 전압의 불안정으로 인한 변동폭(d) 때문에 에너지에 따른 신호분리가 효율적으로 이루어지지 못하고 오 신호 발생 가능성이 높다. 또한, 기준전압의 불안정성 외에도 외부 잡음이 에너지 분리 정확도를 저하시키게 되는 문제점이 있다.
따라서 기존 검색방법에서는 검색대상 물질에 대한 전기신호의 정확성이 떨어지기 때문에 보다 콘트라스트(contrast) 차이가 선명한 영상을 제공할 수 있는 검색시스템의 개발이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 엑스선 선원을 저에너지 펄스와 고에너지 펄스로 나누어 순차적으로 발생시켜 검색대상 물질에 조사하고 저에너지용 신틸레이터(섬광체;scintillator)의 발광시간을 고에너지용 신틸레이터의 발광시간보다 길게 설정하며 대역 필터를 이용하여 고주파와 저주파를 분리함으로써 콘트라스트 차이가 선명한 영상을 제공하는 엑스선 검색 시스템 및 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엑스선 검색 시스템에 있어서, 저에너지 펄스와 고에너지 펄스를 나누어 순차적으로 발생시키는 엑스선 발생기; 피검색물을 투과한 상기 저에너지 펄스와 고에너지 펄스에 의해 발광하여 전기신호를 발생하는 섬광계측기; 상기 전기신호에 의해 피검색물을 영상화하는 메인 처리 유니트로 구성된 엑스선 검색 시스템을 제공한다.
상기 엑스선 발생기는, 상기 저에너지 펄스의 지속시간이 상기 고에너지 펄스 지속시간보다 긴 것을 특징으로 한다.
상기 섬광계측기는, 상기 저에너지 펄스에 의해 수십 kHz 대의 주파수를 갖는 전기신호를 발생하는 저에너지용 신틸레이터, 상기 고에너지 펄스에 의해 수 MHz 대의 주파수를 갖는 전기신호를 발생하는 고에너지용 신틸레이터, 상기 신틸레이터의 발광에 의한 광신호를 감지하는 포토다이오드로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 저에너지 펄스의 지속시간은 상기 저에너지용 신틸레이터의 발광시간(Decay time)보다 길게 설정되고, 상기 고에너지 펄스의 지속시간은 상기 고에너지용 신틸레이터의 발광시간과 같게 설정되는 것을 특징으로 한다.
상기 고에너지 펄스에 의한 고주파 신호와 저에너지 펄스에 의한 저주파 신호 사이의 대역을 필터링하여 고주파 신호와 저주파 신호를 분리하는 대역 필터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 의한 엑스선 검색 시스템 제어방법은, 저에너지 엑스선 펄스와 고에너지 엑스선 펄스를 순차적으로 발생하여 피검색물에 조사하는 단계; 상기 피검색물을 투과한 상기 저에너지 엑스선 펄스는 저에너지용 신틸레이터를 발광시켜, 수십 kHz 대의 주파수를 갖는 전기신호를 발생하고, 상기 고에너지 엑스선 펄스는 고에너지용 신틸레이터를 발광시켜, 수 MHz 대의 주파수를 갖는 전기신호를 발생하는 단계; 상기 전기신호를 수백 kHz 대의 대역필터에 의해 수십 kHz와 수MHz 대의 신호로 분리하는 단계; 및 분리된 고주파 신호와 저주파 신호를 이용하여 피검색물을 영상화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 저에너지 펄스의 지속시간은 상기 저에너지용 신틸레이터의 발광시간보 다 실질적으로 길게 설정되고, 상기 고에너지 펄스의 지속시간은 상기 고에너지용 신틸레이터의 발광시간과 실질적으로 같게 설정되며, 저에너지 펄스의 지속시간이 고에너지 펄스의 지속시간 보다 길게 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점 들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 엑스선 검색 시스템의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 블럭도이고, 도 2는 도 1에 도시된 다채널 섬광계측기(30)의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 엑스선 발생기(10)에서 발생되는 엑스선 펄스의 형태를 나타낸 그래프이고, 도 4는 도 3에 도시된 엑스선 펄스가 대역필터에 의해 주파수에 따라 분리된 상태를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 의한 엑스선 검색 시스템의 제어방법을 나타낸 도면이고, 도 6은 종래의 엑스선 검색장치의 엑스선 펄스의 분리 상태를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 엑스선 검색 시스템은, 엑스선 발생기(10), 콜리메이터(20), 다채널 섬광계측기(30), A/D 컨버터(40), 메인 처리 유니트(50, 이하 MPU(Main Processing Unit)라 칭함.)로 구성된다.
엑스선 발생기(10)는, 엑스선을 방사하는 장치로서 도 3에 도시된 바와 같이 저에너지 펄스와 고에너지 펄스를 나누어 순차적으로 발생시켜 피검색물(60)에 조 사한다. 이때 고에너지 펄스와 저에너지 펄스의 지속시간(10a, 10b)은 도 3을 참조하면, 저에너지 펄스의 경우 저에너지용 신틸레이터(31)의 발광시간인 약 10 ~ 100 μsec 보다 실질적으로 길게 설정되고, 고에너지 펄스의 지속시간(11a, 11b)은 고에너지용 신틸레이터(32)의 발광시간인 약 0.5 ~ 1 μsec 정도로 설정된다. 저에너지 펄스의 지속시간이 저에너지용 신틸레이터(31)의 발광시간 보다 짧으면 신틸레이터(31)가 발광할 때 혹은 채 발광하기 전에 고에너지 펄스가 고에너지용 신틸레이터(32)와 반응하게 되므로 저에너지 펄스의 지속시간은 저에너지용 신틸레이터(31)의 발광시간보다 실질적으로 길게 설정하여 저에너지용 펄스 신호가 충분한 발광현상을 나타내며 또한 고에너지용 펄스 신호와 간섭이 일어나지 않도록 하여, 두 신틸레이터의 신호를 하나의 포토다이오드에서 처리하여 정확한 신호 분리가 가능하도록 한다. 이와 같이 신틸레이터의 발광시간에 대응하여 펄스의 지속 시간을 설정하면 저에너지 펄스의 지속시간이 고에너지 펄스의 지속시간보다 훨씬 길게 된다.
콜리메이터(20)는, 엑스선의 경로 상 피검색물(60) 전 후에 설치하여 엑스선 발생기(10)에서 조사되는 펄스를 시준하여 피검색물(60)에 조사하고 피검색물을 투과한 펄스를 시준하여 다채널 섬광계측기(30)에 전달한다.
다채널 섬광계측기(30)는, 피검색물(60)을 투과한 펄스에 의해 전기 신호를 발생하는 것으로 도 2에 도시된 바와 같이 저에너지용 신틸레이터(31), 고에너지용 신틸레이터(32) 및 포토다이오드(33)로 구성된다.
포토다이오드(33)는 광센서로서 신틸레이터(31,32)를 통하여 발광되는 광의 세기를 감지하여 그 감지신호를 제어부로 송신하며 상호 인접하여 일렬로 배치된다. 신틸레이터(31,32)는 엑스선을 흡수하여 광으로 전환시키는 것으로서 포토다이오드(33)의 상면과 동일한 면적을 갖도록 제작되어 저에너지용 신틸레이터(31), 고에너지용 신틸레이터(32), 포토다이오드(33) 순서가 되도록 포토다이오드(33)상에 각기 적층된다.
저에너지용 신틸레이터(31)는 약 10~100μsec의 발광시간을 갖는 징크셀렌(텔루늄)((ZnSe(Te))과 같은 신틸레이터를 사용하는 것이 바람직하며, 피검색물(60)을 투과한 저에너지 펄스에 의해 수십 kHz대의 낮은 주파수를 갖는 전기신호를 발생한다. 고에너지용 신틸레이터(32)는 약 0.5 ~ 1 μsec의 발광시간을 갖는 GSO 또는 세슘아이오다인(탈륨)(CsI(Tl)) 등과 같은 신틸레이터를 사용하는 것이 바람직하며, 피검색물(60)을 투과한 고에너지 펄스에 의해 수 MHz 대의 높은 주파수를 갖는 전기신호를 발생한다.
대역필터(70; Band Pass Filter)는 포토다이오드에서 출력되는 신호를 수백 kHz 대의 주파수를 중심으로 필터링하는 것을 사용하여 수십 kHz 대의 저에너지 펄스에 의한 저주파 신호와 수MHz 대의 고주파 신호를 분리한다. 즉, 도 4의 (A)와 같이 순차적으로 발생하는 고에너지 펄스에 의한 고주파 신호와 저에너지 펄스에 의한 저주파 신호가 수백 kHz 대의 대역필터(70)에 의해 (B), (C)와 같이 분리된다.
A/D 컨버터(40)는 다채널 섬광계측기(30)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하여 MPU(50)에 입력한다.
MPU(50)는 엑스선 발생기(10)가 도3에 도시된 형태의 고에너지 펄스와 저에너지 펄스를 발생하도록 제어신호를 인가하고, A/D 컨버터(40)를 통해 입력되는 디지털 신호를 처리하여 영상화한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 엑스선 검색장치의 동작을 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 MPU(50)는 엑스선 발생기(10)에 제어신호를 인가하여 도3에 도시된 형태의 고에너지 펄스와 저에너지펄스가 발생하도록 한다(S10). 엑스선 발생기(10)는 도3에 도시된 바와 같이 저에너지 엑스선 펄스(10a, 10b)와 고에너지 엑스선 펄스(11a, 11b)가 순차적으로 발생하되 각 펄스의 지속시간은 다채널 섬광계측기(30)의 발광 시간과 비교하여 다음과 같은 조건을 만족하도록 설정한다.
T저에너지엑스선펄스 ≥ t저에너지용신틸레이터
T고에너지엑스선펄스 ≒ t고에너지용신틸레이터
여기서, T고에너지엑스선펄스 는 고에너지 엑스선 펄스의 지속시간이고, T저에너지엑스선펄스는 저에너지 엑스선 펄스의 지속시간이며, t저에너지용신틸레이터는 저에너지용 신틸레이터의 발광시간(10∼100 μsec)이고, t고에너지용신틸레이터는 고에너지용 신틸레이터의 발광시간(0.5∼1 μsec)이다. 신틸레이터 발광시간에 따라 펄스 지속시간을 설정하면 저에너지 엑스선 펄스의 지속시간이 고에너지 엑스선 펄스의 지속시간보다 훨씬 길게 설정된다.
조사된 엑스선 펄스는 피검색물(60)을 투과하여 다채널 섬광계측기(30)의 신틸레이터(31,32)를 발광시킨다(S20). 피검색물을 투과한 저에너지 펄스는 긴 발광시간을 갖는 저에너지용 신틸레이터(31)에 의해 수십 kHz대의 낮은 주파수를 갖는 전기신호를 발생하고, 고에너지 펄스는 짧은 발광시간을 갖는 고에너지용 신틸레이터에 의해 수 MHz대의 높은 주파수를 갖는 전기신호를 발생하게 된다.
MPU(50)는 두 엑스선 펄스의 에너지와 지속시간을 매 조사시 마다 동시에 조절하여 계측 효율이 최대가 될 때까지 반복적으로 피검색물(70)에 조사하는 것이 바람직하다. 즉, 저에너지 엑스선 펄스가 저에너지용 신틸레이터(31)에만 영향을 주고, 고에너지 엑스선 펄스가 고에너지용 신틸레이터(32)에만 영향을 줄 때까지 펄스의 유효에너지 및 지속시간을 동시에 조절한다.
신틸레이터(31,32)가 발광하면 포토다이오드(33)가 이를 감지하여 감지신호를 출력하고(S30), 감지신호는 도 4에 도시된 바와 같이 수백 kHz 대의 대역필터(70)에 의해 수십 kHz와 수 MHz 대의 신호로 분리된다(S40).
A/D 컨버터(40)는 고주파 신호와 저주파 신호를 디지털 신호로 변환하여 MPU(50)에 인가하고(S50), MPU(50)는 이를 이용하여 콘트라스트 차이가 확연히 나타나는 선명한 영상을 구현한다(S50).
이와같이 본 발명에서는 에너지와 지속시간이 조절된 엑스선 펄스 및 발광시간 차이가 크게 다른 두 신틸레이터를 사용함으로써 고에너지에 대한 전기신호와 저에너지에 대한 전기신호의 용이한 분리가 가능해져 선명한 영상을 제공할 수 있고, 이는 유사한 유효원자번호를 갖는 물질에 대해서도 영상에 있어 콘트라스트 차 이를 확연히 나타나게 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 엑스선 발생기에서 순차적으로 발생된 저에너지 및 고에너지 펄스와, 저에너지 및 고에너지용 신틸레이터의 발광시간 특성을 이용하고, 기존 에너지 분리 방법과 달리 주파수 분리방법을 사용하여 수십 kHz대와 수 MHz대의 신호를 분리하는 것이므로 외부 잡음에 의한 오류를 방지할 수 있고, 근접한 유효원자번호를 갖는 물질들까지 구분이 가능하게 함으로써 기존의 방법보다 더욱 정확도가 높은 보안검색을 실시할 수 있다.

Claims (6)

  1. 엑스선 검색 시스템에 있어서,
    저에너지 펄스와 고에너지 펄스를 나누어 순차적으로 발생시키는 엑스선 발생기;
    피검색물을 투과한 상기 저에너지 펄스와 고에너지 펄스에 의해 발광하여 저에너지 및 고에너지 전기신호를 발생하는 섬광계측기;
    상기 전기신호를 저에너지 펄스 신호와 고에너지 펄스 신호로 분리하여 피검색물을 영상화하는 메인 처리 유니트;로 구성된 것을 특징으로 하는 엑스선 검색 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 섬광계측기는,
    상기 저에너지 펄스에 의해 수십 kHz 대의 주파수를 갖는 전기신호를 발생하는 저에너지용 신틸레이터;
    상기 고에너지 펄스에 의해 수 MHz 대의 주파수를 갖는 전기신호를 발생하는 고에너지용 신틸레이터;
    상기 신틸레이터의 발광에 의한 광신호를 감지하는 포토다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 엑스선 검색 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 저에너지 펄스의 지속시간은 상기 저에너지용 신틸레이터의 발광시간보다 실질적으로 길게 설정되고, 상기 고에너지 펄스의 지속시간은 상기 고에너지용 신틸레이터의 발광시간과 실질적으로 같게 설정되는 것을 특징으로 하는 엑스선 검색 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고에너지 펄스에 의하여 고주파 신호가 발생되고 저에너지 펄스에 의하여 저주파 신호가 발생되며, 고주파 신호와 저주파 신호를 분리하는 대역 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 검색 시스템.
  5. 제 1항의 엑스선 검색 시스템의 제어방법에 있어서,
    a)저에너지 엑스선 펄스와 고에너지 엑스선 펄스를 순차적으로 발생하여 피검색물에 조사하는 단계;
    b)상기 피검색물을 투과한 상기 저에너지 엑스선 펄스는 저에너지용 신틸레이터를 발광시켜, 수십 kHz 대의 주파수를 갖는 저주파 전기신호를 발생하고, 상기 고에너지 엑스선 펄스는 고에너지용 신틸레이터를 발광시켜, 수 MHz 대의 주파수를 갖는 고주파 전기신호를 발생하는 단계;
    c)상기 전기신호를 주파수 대역필터에 의해 상기 저주파 신호와 상기 고주파 신호를 분리하는 단계; 및
    d)분리된 고주파 신호와 저주파 신호를 이용하여 피검색물을 영상화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 검색 시스템 제어 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 저에너지 펄스의 지속시간은 상기 저에너지용 신틸레이터의 발광시간보다 실질적으로 길게 설정되고, 상기 고에너지 펄스의 지속시간은 상기 고에너지용 신틸레이터의 발광시간과 실질적으로 같게 설정되는 것을 특징으로 하는 엑스선 검색 시스템 제어방법.
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