KR101198953B1 - The simultaneous measuring method and equipment of neutron and gamma-ray dosage using one PIN diode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단일 PIN 다이오드 센서를 이용하여 구성하되, 중성자방사선을 계측하기 위한 정전류구동부와 감마선계측을 위한 펄스진폭검출부를 포함하고, 각 신호검출부로부터 생성되는 신호의 노이즈를 제거하고 증폭하는 고감도 증폭회로를 구비하고 있으며, 아날로그디지탈변환기를 사용하여 출력된 아날로그신호를 디지털화하였으며 마이크로콘트롤러를 포함한 제어부에서 디지털화된 계측 데이터를 이용하여 중성자 및 감마선에 대한 계측선량에 대한 디지털신호처리 기능을 통한 신호의 분석 및 저장기능을 포함하는 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 중성자와 감마선의 측정장치는 방사선 계측용 PIN다이오드센서와 ; 상기 PIN다이오드센서를 이용하여 감마선의 에너지에 비례한 이온화 현상으로 인한 펄스성 전류를 검출하는 전류펄스검출부와 ; 상기 PIN다이오드센서가 중성자입자와 반응함에 따라 순방향 정전류의 인가 시 격자구조손상에 의한 전류제한효과로 의해 증가하는 다이오드양단의 전압을 감지하는 정전류출력부와 ; 상기 전류펄스검출부와 정전류출력부의 출력신호를 측정하고 정보를 추출하는 신호처리부와 ; 상기 신호처리부의 출력신호들을 통하여 중성자누적선량 또는 감마선량을 계산하고 저장 및 관리하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
The present invention is configured using a single PIN diode sensor, including a constant current driver for measuring neutron radiation and a pulse amplitude detector for measuring gamma radiation, high sensitivity amplifier circuit for removing and amplifying the noise of the signal generated from each signal detector The analog signal output by using an analog digital converter is digitized, and the signal analysis through digital signal processing function for the measurement dose for neutrons and gamma rays using the digital measurement data from the control unit including the microcontroller. The present invention relates to a neutron and gamma ray measuring device using a single sensor including a storage function.
The neutron and gamma ray measuring apparatus of the present invention includes a PIN diode sensor for radiation measurement; A current pulse detector for detecting a pulsed current due to ionization phenomenon proportional to the energy of gamma rays using the PIN diode sensor; A constant current output unit for sensing the voltage across the diode due to the current limiting effect of the lattice structure damage when the forward direction current is applied as the PIN diode sensor reacts with the neutron particles; A signal processor for measuring output signals of the current pulse detector and the constant current output unit and extracting information; And a control unit for calculating, storing and managing a neutron accumulation dose or a gamma dose through the output signals of the signal processor.

Description

단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치{The simultaneous measuring method and equipment of neutron and gamma-ray dosage using one PIN diode}A device for measuring neutrons and gamma rays using a single sensor {The simultaneous measuring method and equipment of neutron and gamma-ray dosage using one PIN diode}

본 발명은 방사선을 측정하는 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 단일 PIN 다이오드를 사용하여 감마(Gamma), 중성자(Neutron) 방사선을 모두 감지할 수 있는 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치에 관한 것이다. The present invention relates to a device for measuring radiation, and more particularly, to a device for measuring neutron and gamma rays using a single sensor capable of detecting both gamma and neutron radiation using a single PIN diode. .

보다 상세하게는 단일 PIN 다이오드 센서를 이용하여 구성하되, 중성자방사선을 계측하기 위한 정전류구동부와 감마선계측을 위한 펄스진폭검출부를 포함하고, 각 신호검출부로부터 생성되는 신호의 노이즈를 제거하고 증폭하는 고감도 증폭회로를 구비하고 있으며, 아날로그디지탈변환기를 사용하여 출력된 아날로그신호를 디지털화하였으며 마이크로콘트롤러를 포함한 제어부에서 디지털화된 계측 데이터를 이용하여 중성자 및 감마선에 대한 계측선량에 대한 디지털신호처리 기능을 통한 신호의 분석 및 저장기능을 포함하는 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치에 관한 것이다. More specifically, it is configured using a single PIN diode sensor, and includes a constant current driver for measuring neutron radiation and a pulse amplitude detector for measuring gamma rays, and a high sensitivity amplification for removing and amplifying the noise generated from each signal detector. It is equipped with a circuit, and digitalizes the analog signal output by using an analog digital converter and analyzes the signal through the digital signal processing function for the measurement dose to the neutron and gamma ray by using the digital measurement data from the control unit including the microcontroller. And a measuring device for neutrons and gamma rays using a single sensor including a storage function.

전력생산의 대안으로 최근 큰 주목을 받고있는 원자력발전소, 효율적 암치료 방법으로 각광을 받고 있는 의료용 방사선 장치, 그리고 공항과 산업현장의 방사선 투시 및 검사장치 등 다양한 분야에서 방사선의 활용도가 증가되는 추세에 있다. As the alternative to power generation, the utilization of radiation is increasing in various fields such as nuclear power plants, which are receiving great attention recently, medical radiation devices that are gaining attention as efficient cancer treatment methods, and radiation and inspection devices at airports and industrial sites. have.

그러나 이러한 방사선은 인체에 악영향을 미칠 수 있으므로 엄격한 관리와 까다로운 규제가 동반되어야 한다. However, such radiation can adversely affect the human body, so it must be accompanied by strict management and strict regulations.

방사선 사용 시 안전성의 확보를 위해서는 방사선의 측정은 필수적인 절차이며, 정확한 방사선 측정을 위해서는 피폭 방사선량뿐만 아니라 방사선의 종류도 동시에 측정해야만 하며, 이러한 여러 가지 다양한 방사선 가운데 감마방사선(이하, "감마선"이라 통칭함.)과 중성자는 일반산업 및 의료현장에서 가장 측정 요구가 많은 방사선이며, 주로 순간 선율과 시간적 누적치인 선량값을 측정하게 된다. In order to ensure safety when using radiation, measurement of radiation is an essential procedure, and in order to accurately measure radiation, not only the radiation dose but also the type of radiation must be simultaneously measured. Among these various radiations, gamma radiation (hereinafter referred to as "gamma radiation") And neutrons are radiations that are most demanding in general industrial and medical settings, and mainly measure instantaneous melodies and dose values that are cumulative over time.

일반적으로 방사선 작업현장에서는 중성자와 감마선 측정용 선량계가 별도로 사용되지만, 최근에는 하나의 장치 내에서 중성자와 감마선을 동시에 측정할 수 있는 통합 선량계를 사용하기도 한다. In general, radiation dosimeters for measuring neutrons and gamma rays are used separately, but recently, integrated dosimeters that can simultaneously measure neutrons and gamma rays in a single device are used.

이러한 통합선량계 내부에는 각 방사선을 독립적으로 측정하는 센서가 각각 내장되어 있어, 각 센서가 해당 방사선을 별도로 측정하는 구조 및 기능을 하게되므로 결국 두 대의 선량계를 작은 형태로 붙여놓은 것에 불과하다.These integrated dosimeters are each equipped with a sensor that independently measures each radiation, each sensor has a structure and function to measure the radiation separately, so the two dosimeters are only attached in a small form.

이렇게 별도의 센서를 사용하여 중성자와 감마선 정보를 측정하게 되면 센서간 특성 불균일성으로 인해 나타나는 오차발생 현상, 신호발생 선원의 중복으로 인한 상호간섭 현상, 인가 전원 노드의 증가 및 전력소모의 증가 등 여러 가지 문제점이 있으며, 외형적으로도 센서 설치공간 및 측정회로 증가로 인해 부피가 커져 휴대에 어려움을 주기도 한다.When neutron and gamma ray information is measured using a separate sensor, various errors such as error occurrence caused by non-uniform characteristics of sensors, mutual interference due to overlapping signal source, increase of applied power node, and increase of power consumption There is a problem, and in addition, due to the increase in the sensor installation space and the measurement circuit, the volume is also difficult to carry.

이러한 단점을 개선하여 이렇게 중성자와 감마선을 동시에 측정이 가능한 반도체소자를 이용한 방사능계측장치의 경우 각 방사선별 서로 다른 방사선검출센서를 사용한 기술이 개발되어 상용화단계에 있고 감도개선에 대한 연구가 진행되고 있으나, 단일 센서를 사용하여 중성자 및 감마선을 계측하기 위한 방법 및 장치의 경우 개발되어있지 않다.In order to improve these shortcomings, radioactive measuring devices using semiconductor devices capable of measuring neutrons and gamma rays at the same time have been developed and commercialized in the commercialization stage. However, a method and apparatus for measuring neutrons and gamma rays using a single sensor have not been developed.

따라서 하나의 센서로부터 여러 가지 기능, 예를 들면 중성자 및 감마선 동시측정기능을 수행할 수 있는 장치와 방법이 요구되는 실정이다.Therefore, there is a need for an apparatus and method capable of performing various functions, for example, neutron and gamma-ray simultaneous measurement functions, from a single sensor.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로써, 단일 PIN 다이오드센서로 중성자 및 감마선을 동시에 자동측정을 할 수 있는 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치를 제공함에 목적이 있다. The present invention has been developed to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a neutron and gamma ray measuring device using a single sensor that can automatically measure neutron and gamma rays simultaneously with a single PIN diode sensor. .

또한 본 발명은 중성자 및 감마선을 계측함에 있어 단일센서를 사용함으로써 검출기를 소형화하였고, 검출기의 신호증폭과 노이즈를 제거하기 위한 고감도 증폭회로를 사용하여 방사선 계측에 대한 신호 대 잡음비를 향상시키며, 측정시스템을 디지털화하고 제어처리부의 펌웨어(Firmware)상에서 디지털화된 방사선계측정보를 처리함에 있어 신호처리알고리즘을 통한 디지털 잡음제거기술을 이용한 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치를 제공함에 목적이 있다. In addition, the present invention miniaturizes the detector by using a single sensor for measuring neutron and gamma rays, and improves the signal-to-noise ratio for radiation measurement by using a high sensitivity amplifier circuit for removing signal amplification and noise of the detector, and measuring system The purpose of the present invention is to provide a neutron and gamma ray measuring device using a single sensor using digital noise reduction technology through a signal processing algorithm in digitizing and processing digitized radiation measurement information on the firmware of the control processing unit.

이러한 본 발명의 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치는 방사선 계측용 PIN다이오드센서와 ; 상기 PIN다이오드센서를 이용하여 감마선의 에너지에 비례한 이온화 현상으로 인한 펄스성 전류를 검출하는 전류펄스검출부와 ; 상기 PIN다이오드센서가 중성자입자와 반응함에 따라 순방향 정전류의 인가 시 격자구조손상에 의한 전류제한효과로 의해 증가하는 다이오드양단의 전압을 감지하는 정전류출력부와 ; 상기 전류펄스검출부와 정전류출력부의 출력신호를 측정하고 정보를 추출하는 신호처리부와 ; 상기 신호처리부의 출력신호들을 통하여 중성자누적선량 또는 감마선량을 계산하고 저장 및 관리하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다. The neutron and gamma ray measuring apparatus using a single sensor of the present invention and the PIN diode sensor for radiation measurement; A current pulse detector for detecting a pulsed current due to ionization phenomenon proportional to the energy of gamma rays using the PIN diode sensor; A constant current output unit for sensing the voltage across the diode due to the current limiting effect of the lattice structure damage when the forward direction current is applied as the PIN diode sensor reacts with the neutron particles; A signal processor for measuring output signals of the current pulse detector and the constant current output unit and extracting information; And a control unit for calculating, storing and managing a neutron accumulation dose or a gamma dose through the output signals of the signal processor.

본 발명은 단일센서를 이용한 중성자와 감마선 측정할 수 있어 센서신호처리로직의 간소화 및 방사선계측을 위한 센서의 개수를 줄일 수 있으며, 이에 따라 기존의 방사선 측정장치보다 소형화 및 경량화시킬 수 있는 효과가 있다. The present invention can measure neutrons and gamma rays using a single sensor can simplify the sensor signal processing logic and reduce the number of sensors for radiation measurement, thereby reducing the size and weight of the conventional radiation measuring device .

또한, 디지털신호처리부에 디지털필터링부를 구성하여 글리치신호에 의한 측정오류현상을 감소시켜 신호검출의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 제어부와 독립적으로 전류펄스검출신호에 따른 자동측정처리방식을 적용함으로써 제어부에서의 신호처리를 위한 부하를 최소화시킬 수 있는 효과가 있으며, 이러한 디지털필터링부는 VHDL 언어로 설계가 가능하여 ASIC화된 단일칩으로의 개발이 가능하여 보다 소형화시킬 수 있다. In addition, by configuring the digital filtering unit in the digital signal processing unit to reduce the measurement error caused by the glitch signal to improve the reliability of the signal detection, and by applying the automatic measurement processing method according to the current pulse detection signal independent of the control unit It has the effect of minimizing the load for signal processing. The digital filtering part can be designed in the VHDL language, and can be miniaturized by developing into a single IC with ASIC.

더욱이, PIN 다이오드센서를 감마선검출센서로 사용할 때, 단일 센서 상에서의 중핵이온에 의한 격자구조손상에 따른 열화현상에 따른 보정 알고리즘을 통하여 전리방사선 및 중핵이온이 복합적으로 발생하는 방사선환경에서의 감마선량 측정시 센서의 측정오차를 감소시킴으로서 보다 정밀한 방사선의 측정이 가능하게 하는 효과가 있다. Furthermore, when the PIN diode sensor is used as a gamma-ray detection sensor, the gamma dose in a radiation environment in which ionizing radiation and core ions are combined through a correction algorithm for deterioration due to lattice structure damage caused by core ions on a single sensor By reducing the measurement error of the sensor during the measurement has the effect of enabling more accurate measurement of the radiation.

도 1은 본 발명에 따른 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 측정장치를 구성하는 전류펄스 검출부의 구성도이고,
도 3은 본 발명에 따른 측정장치를 구성하는 정전류 구동부의 구성도이고,
도 4는 본 발명에 따른 측정장치를 구성하는 신호처리부의 구성도이고,
도 5는 본 발명에 따른 측정장치를 구성하는 제어부의 구성도이고,
도 6은 본 발명에 따른 측정장치를 구성하는 디지털신호처리부의 구성도이고,
도 7은 디지털신호처리부를 구성하는 디지털필터링부의 구성도이고,
도 8은 디지털신호처리부를 구성하는 디지털신호처리부의 구성도이고,
도 9는 디지털신호처리부를 구성하는 ADC제어부의 구성도이고,
도 10은 모두전환부의 구성도이다.
1 is a block diagram of an apparatus for measuring neutron and gamma rays using a single sensor according to the present invention,
2 is a configuration diagram of a current pulse detection unit constituting a measuring device according to the present invention;
3 is a configuration diagram of a constant current driver constituting a measuring device according to the present invention;
4 is a block diagram of a signal processing unit constituting a measuring device according to the present invention;
5 is a block diagram of a control unit constituting a measuring device according to the present invention;
6 is a block diagram of a digital signal processing unit constituting a measuring device according to the present invention;
7 is a configuration diagram of a digital filtering unit constituting a digital signal processing unit;
8 is a configuration diagram of a digital signal processing unit constituting a digital signal processing unit,
9 is a configuration diagram of an ADC control unit constituting a digital signal processing unit,
10 is a configuration diagram of all the switching unit.

이하, 본 발명에 따른 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a measuring device for neutrons and gamma rays using a single sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치는 방사선 계측용 PIN다이오드센서(1)와 ; 상기 PIN다이오드센서(1)를 이용하여 감마선의 에너지에 비례한 이온화현상으로 인한 펄스성 전류를 검출하는 전류펄스검출부(2)와 ; 상기 PIN다이오드센서(1)가 중성자입자와 반응함에 따라 순방향 정전류의 인가 시 격자구조손상에 의한 전류제한효과로 의해 증가하는 다이오드양단의 전압을 감지하는 정전류출력부(3)와 ; 상기 전류펄스검출부(2)와 정전류출력부(3)의 출력신호를 측정하고 정보를 추출하는 신호처리부(4)와 ; 상기 신호처리부(4)의 출력신호들을 통하여 중성자누적선량 또는 감마선량을 계산하고 저장 및 관리하는 제어부(5)를 포함하여 구성된다. As shown in Figure 1, the measuring device of the neutron and gamma rays using a single sensor according to the present invention is a PIN diode sensor (1) for radiation measurement; A current pulse detector (2) for detecting a pulsed current due to ionization in proportion to the energy of gamma rays by using the PIN diode sensor (1); A constant current output unit (3) for sensing the voltage across the diode due to the current limiting effect caused by the lattice structure damage upon application of forward constant current as the PIN diode sensor (1) reacts with the neutron particles; A signal processor (4) for measuring output signals of the current pulse detector (2) and the constant current output unit (3) and extracting information; And a control unit 5 for calculating, storing and managing neutron accumulation dose or gamma dose through the output signals of the signal processor 4.

상기 PIN다오이드센서(1)는 중성자입자와 반응할 때 격자구조의 손상되는 특성을 갖는다. 즉, 순방향 정전류의 인가되면 격자구조의 손상에 기인한 전류제한효과로 인하여 다이오드양단의 전압의 증가한다. The PIN diode sensor 1 has a property of damaging the lattice structure when reacting with neutron particles. That is, when forward constant current is applied, the voltage across the diode increases due to the current limiting effect due to damage to the lattice structure.

또한, 상기 PIN다이오드센서(1)는 전리방사선인 감마선과 반응할 때에는 입사된 방사선의 에너지에 비례하는 이온화현상으로 인한 광전류 출력을 생성하는 특징을 가진다. In addition, the PIN diode sensor 1 has a characteristic of generating a photocurrent output due to ionization which is proportional to the energy of incident radiation when reacting with gamma rays that are ionizing radiation.

상기 PIN다이오드센서(1)는 1rad에서 1krad 변위의 중성자 선량측정이 가능한것으로서, 고순도의 두꺼운(약 1mm~2mm) 실리콘 정육면체 바디(Body) 형태를 가지고 있고, 중성자에 피폭될 경우 소자 내부에 격자손상을 발생시키게 되는데, 이렇게 발생된 격자손상은 이동전하의 재결합 중심으로 작용하게 되어 소자의 외부저항 증가현상으로 나타내게 된다. The PIN diode sensor 1 is capable of measuring a neutron dose of 1 krad displacement at 1 rad, has a high purity thick (approximately 1 mm to 2 mm) silicon cube body, and when the neutron is exposed to damage to the lattice inside the device The resulting grid damage acts as a recombination center of mobile charges, which is represented by an increase in external resistance of the device.

따라서, PIN다이오드센서(1)의 순방향 저항성 증가는 센서로 입사된 중성자 선량정보와 비례관계에 있어 PIN다이오드센서(1)의 저항성분의 증가는 중성자 선량정보의 측정변수로 활용이 가능하며, 측정회로로 구현할 경우 PIN다이오드센서(1)에 순방향 인가 상태에서 사용하게 된다.Therefore, the increase in the forward resistance of the PIN diode sensor 1 is proportional to the neutron dose information incident to the sensor, so that the increase in the resistance component of the PIN diode sensor 1 can be used as a measurement variable of the neutron dose information. When implemented in a circuit it is used in the forward application state to the PIN diode sensor (1).

감마선율을 측정할 때에는 역방향 바이어스 상태로 운용하게 되, 이때 다이오드를 역방향 전원을 인가한 상태에서 감마선에 피폭되면 광전효과, 컴프턴 Scattering, 전자쌍 생성효과 등에 의해 소자 내부에 전자가 발생되며, 발생된 전자는 외부측정회로에서는 펄스형태의 출력신호로 나타나고, 이 펄스의 개수는 입사된 감마선의 선율정보를 나타내게 되어 바로 선율정보로 활용이 가능한 것이다. When measuring the gamma ray rate, it operates in the reverse bias state, and when the diode is exposed to the gamma ray while applying reverse power, electrons are generated inside the device due to photoelectric effect, compton scattering, electron pair generation effect, and the like. The former is represented as an output signal in the form of a pulse in an external measuring circuit, and the number of pulses indicates the melody information of the incident gamma ray, which can be used as melody information immediately.

즉, 하나의 PIN다이오드센서(1)를 사용하여 중성자 선량 및 감마선 선율을 동시에 사용이 가능하도록 하기 위해, 순방향 외부 바이어스 상태에서 저항성 성분의 변화량을 측정하여 '중성자 선량' 정보를 얻고, 역방향 바이어스 상태에서 출력 전하펄스 수를 카운트하여 감마선 선율정보를 측정할 수 있으며, 이렇게 두 방향의 바이어스 및 신호처리회로를 위하여 상기 전류펄스검출부(2)와 정전류출력부(3) 및 하기의 모드변환부(6)가 구성되어 있는 것이다. That is, in order to be able to simultaneously use the neutron dose and the gamma-ray melody using one PIN diode sensor 1, the change amount of the resistive component is measured in the forward external bias state to obtain 'neutron dose' information, and the reverse bias state. It is possible to measure the gamma ray melody information by counting the number of output charge pulses at. The current pulse detector 2, the constant current output unit 3, and the mode converter 6 described below for bias and signal processing circuits in two directions. ) Is configured.

다시 한 번 상기 PIN다이오드센서(1)의 작용을 설면하면, 상기 PIN다이오드센서(1)는 위와 같은 특성에 따라 고 에너지 입자인 중성자에 노출될 경우 반도체소자의 Si층에서의 비전리방사선 효과로 인한 격자구조손상(Displacement Damage)현상으로부터 PIN 다이오드센서의 턴온전압의 변위가 비례하여 증가하며 이를 감지함으로써 중성자의 존재 여부를 검출할 수 있는 것이다. Once again the action of the PIN diode sensor 1, when the PIN diode sensor 1 is exposed to neutrons, which are high energy particles according to the above characteristics, due to the effect of non-ionizing radiation in the Si layer of the semiconductor device The displacement of the turn-on voltage of the PIN diode sensor increases proportionally from the displacement damage caused by the grid structure damage, thereby detecting the presence of neutrons.

감마선을 검출할 경우에는 상기한 바와 같이 PIN다이오드센서(1)에 감마선이 입사될 때 이온화현상(Ionization Effect)에 기인한 펄스성 광전류 신호를 계측함에 의해 이루어질 수 있는 것이다. When detecting gamma rays, as described above, when the gamma rays are incident on the PIN diode sensor 1, the pulsed photocurrent signals due to ionization effects may be measured.

상기와 같이, 하나의 PIN다이오드센서(1)를 이용하여 중성자와 감마선을 측정할 수 있게 된 본 발명의 측정장치는 상기한 바와 같이 감마선을 검출하기 위한 전류펄스검출부(2)와 중성자를 검출하기 위한 정전류출력부(3)를 포함하여 구성되어 있으며, 검출되는 방사선에 따라 상기 전류펄스검출부(2)와 정전류출력부(3) 중 어느 하나로 스위칭되는 스위칭 수단이 구성되어 있고 이 스위칭 수단으로 모드변환부(6)가 구비되어 있다. As described above, the measuring device of the present invention, which is capable of measuring neutrons and gamma rays by using one PIN diode sensor 1, detects the current pulse detector 2 and the neutrons for detecting gamma rays as described above. And a switching means for switching to either the current pulse detection unit 2 or the constant current output unit 3 according to the radiation detected, and mode switching with the switching means. The part 6 is provided.

즉, 상기 PIN다이오드센서(1)와 전류펄스검출부(2) 및 정전류출력부(3) 사이에는 상기 PIN다이오드센서(1)에 인가되는 전압의 방향을 전환하는 모드변환부(6)가 구성되어 있다. That is, between the PIN diode sensor 1, the current pulse detection unit 2, and the constant current output unit 3, a mode conversion unit 6 for switching the direction of the voltage applied to the PIN diode sensor 1 is configured. have.

상기 모드변환부(6)는 상기한 바와 같이, 상기 PIN다이오드센서(1)를 전류펄스검출부(2)나 정전류출력부(3) 중 어느 하나로 연결시키는 스위칭수단으로 이는 도 10에 도시한 바와 같이, 릴레이(61)의 스위칭에 의해 상기 PIN다이오드센서(1)에 인가되는 바이어스전압을 제어한다. As described above, the mode conversion unit 6 is a switching means for connecting the PIN diode sensor 1 to either the current pulse detection unit 2 or the constant current output unit 3, as shown in FIG. The bias voltage applied to the PIN diode sensor 1 is controlled by switching the relay 61.

즉, 중성자를 검출하고자 할 경우에는 중성자의 흡수선량에 따른 PIN다이오드내부의 격자구조손상(displacement damage)에 의한 턴온전압의 변위를 검출하기 위하여 PIN다이오드 센서에 순방향으로 정전류를 인가되게 하고, 감마선을 검출하고자 할 때에는 감마선의 조사에 따른 PIN다이오드 내부에서 발생하는 이온화현상에 의하여 방출되는 광전류 펄스신호를 계측하기 위하여 역방향으로의 바이어스전압을 인가한다. In other words, in order to detect neutrons, a constant current is applied to the PIN diode sensor in a forward direction in order to detect displacement of turn-on voltage due to displacement damage inside the PIN diode according to the absorbed dose of the neutrons. In order to detect, a bias voltage in the reverse direction is applied to measure the photocurrent pulse signal emitted by the ionization phenomenon generated inside the PIN diode due to the gamma ray irradiation.

상기한 바와 같이, 상기 전류펄스검출부(2)는 감마선에 의한 광전류 펄스신호를 검출하기 위한 구성요소로서, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 PIN다이오드센서(1)의 광전류를 전압으로 변환하기 위한 I-V변환기(21)와 ; 상기 I-V변환기(21)의 출력을 증폭시키는 전치증폭기(22)와 ; 상기 전치증폭기의 출력 중 일부 대역의 출력만을 통과시키는 대역통과필터(23)와 ; 상기 대역통과필터(23)의 출력신호를 비선형 변환시키는 로그앰프(24)로 구성된다. As described above, the current pulse detector 2 is a component for detecting the photocurrent pulse signal by the gamma ray, and as shown in FIG. 2, for converting the photocurrent of the PIN diode sensor 1 into a voltage. IV converter 21; A preamplifier 22 for amplifying the output of the I-V converter 21; A band pass filter 23 for passing only outputs of some bands of the outputs of the preamplifiers; It consists of a log amplifier 24 for non-linear conversion of the output signal of the band pass filter 23.

감마선 조사에 따른 내부의 이온화 효과(ionizing effect)는 순간적인 전류펄스형태로 출력되어지고, 조사선량 및 에너지에 따라 전류의 양이 결정되어지며 일반적으로 pA~nA단위의 임펄스형태의 신호로 출력된다. The internal ionizing effect of gamma irradiation is output in the form of instantaneous current pulse, the amount of current is determined according to the irradiation dose and energy, and is generally output as an impulse signal in pA ~ nA unit. .

따라서 이러한 미소 전류량에 대한 측정과 펄스개수를 카운트하기 위하여 상기 I-V변환기(21)가 구성되어 있고, 전치증폭기를 이용하여 이 신호를 증폭하고, 잡음신호를 제거하기 위한 대역통과필터(23)이 구비되어 있다. Therefore, the IV converter 21 is configured to measure the small current amount and count the number of pulses, and a band pass filter 23 for amplifying the signal using a preamplifier and removing the noise signal. It is.

또한, 감도개선과 측정범위(최소, 최대)를 확장하기 위한 로그앰프(24)가 구비되어 있는 것이다. In addition, a log amplifier 24 for improving sensitivity and extending the measurement range (minimum and maximum) is provided.

중성자의 검출은 상기한 바와 같이, PIN다이오드센서(1)가 중성자에 노출됨에 따라 순방향 정전류의 인가 시 격자구조손상에 의한 전류제한효과로 의해 증가하는 다이오드양단의 전압을 감지함에 의해 이루어지며, 이렇게 다이오드 양단의 전압을 검출하기 위한 수단인 상기 정전류출력부(3)는 상기 PIN다이오드센서(1)에 공급되는 순방향 정전류에 의해 변화하는 턴온전압(VTH)을 검출하는 전압검출부(31)와 ; 상기 전압검출부(31)의 출력을 증폭시키는 증폭기(32)를 포함하여 구성된다. As described above, the detection of the neutron is performed by sensing the voltage across the diode increasing due to the current limiting effect caused by the lattice structure damage when the PIN diode sensor 1 is exposed to the neutron, and the forward constant current is applied. The constant current output unit 3, which is a means for detecting the voltage across the diode, comprises: a voltage detector 31 which detects a turn-on voltage V TH changed by a forward constant current supplied to the PIN diode sensor 1; And an amplifier 32 for amplifying the output of the voltage detector 31.

즉, 중성자는 격자구조 손상현상의 정도에 따라 PIN다이오드의 턴온(Turn on)전압을 변화시키는 요인으로 작용되고, PIN다이오드의 순방향으로 정전류소스를 인가하여 턴온전압(VTH)의 변화를 측정함으로써 중성자 흡수선량을 상대적으로 측정할 수 있으며, 이러한 정전류출력부(3)는 도 3에 도시한 바와 같이 구성된다. That is, the neutron acts as a factor to change the turn-on voltage of the PIN diode according to the degree of lattice structure damage, and by measuring a change in the turn-on voltage (V TH ) by applying a constant current source in the forward direction of the PIN diode. The neutron absorbed dose can be measured relatively, and this constant current output unit 3 is configured as shown in FIG.

도 3에서 정전류출력부(30)은 PIN다이오드센서(1)에 순방향 정전류를 제공하기 위한 수단이고, 증폭기(32), 저역통과필터(33), 버퍼(34)는 전압검출부(31)에 의해 검출된 신호를 증폭하고 필터링하며, 타 구성요소와의 완충을 위한 수단이다. In FIG. 3, the constant current output unit 30 is a means for providing a forward constant current to the PIN diode sensor 1, and the amplifier 32, the low pass filter 33, and the buffer 34 are provided by the voltage detector 31. It is a means for amplifying and filtering the detected signal and buffering with other components.

상기와 같이 모드변환부(6)에 의해 모드가 변환되고 모드가 변환된 상태에서 상기 전류펄스검출부(2)와 정전류출력부(3)에 의해 출력되는 신호는 상기 신호처리부(4)에 의해 신호의 측정 및 신호로부터 특징 정보를 추출하게 된다. As described above, the signal is outputted by the current pulse detector 2 and the constant current output unit 3 while the mode is switched by the mode converter 6 and the mode is converted by the signal processor 4. The feature information is extracted from the measurement and the signal of.

상기 신호처리부(4)는 도 4에 도시한 바와 같이, 기준신호입력인 트리거신호검출을 위한 비교기(41)와 ; 상기 비교기(41)에서의 신호검출의 하한 임계치 전압을 설정하기 위한 DAC(42)와 ; 모드변환에 따른 전류펄스신호와 턴온전압(VTH)의 출력전압을 선택적으로 스위칭하기 위한 아날로그멀티플렉서(43)와 ; 전류펄스의 피크(Peak)전압 및 턴온전압(VTH)의 아날로그 전압값을 디지털로 변환하기 위한 ADC(44)를 포함하여 구성된다. As shown in FIG. 4, the signal processor 4 includes: a comparator 41 for detecting a trigger signal as a reference signal input; A DAC 42 for setting a lower limit threshold voltage of signal detection in the comparator 41; An analog multiplexer 43 for selectively switching the current pulse signal and the output voltage of the turn-on voltage V TH according to the mode conversion; And an ADC 44 for converting the peak voltage of the current pulse and the analog voltage values of the turn-on voltage V TH into digital.

상기 신호처리부(4)와 제어부(5) 사이에는 신호처리부(4)의 출력신호를 디지털신호로 변환하는 디지털신호처리부(7)가 구성되어 있다. Between the signal processor 4 and the controller 5, a digital signal processor 7 for converting the output signal of the signal processor 4 into a digital signal is configured.

상기 신호처리부(4)는 상기한 바와 같이, 상기 모드변환부(6)와 신호처리부(4)의 제어를 통하여 모드별 출력되는 아날로그신호의 특징정보를 제어부(5)와의 독립적인 방식으로 전류펄스검출부(2)로부터 출력되는 전류펄스출력(Vpulse)신호의 펄스폭과 최대첨두전압(Vpeak)을 자동으로 측정하기 위한 목적으로 상기한 DAC(42)와 ADC(44)를 구비하고 있고, 디지털신호처리부(7)는 도 6에 도시한 바와 같이, 이들 DAC(42)와 ADC(44)를 제어하기 위한 ADC제어부(73)와 전류펄스의 진폭(Pulse duration)을 검출하기 위한 펄스진폭검출부(72)를 포함하여 구성된다. As described above, the signal processor 4 controls the mode converter 6 and the signal processor 4 to output characteristic information of the analog signal output for each mode in a manner independent of the controller 5. The DAC 42 and the ADC 44 are provided for the purpose of automatically measuring the pulse width and the maximum peak voltage (V peak ) of the current pulse output (V pulse ) signal output from the detector (2). As shown in FIG. 6, the digital signal processor 7 includes an ADC controller 73 for controlling the DAC 42 and the ADC 44, and a pulse amplitude detector for detecting the amplitude of the current pulse. It comprises 72.

또한, 상기 디지털신호처리부(7)는 전류펄스검출부(2)로부터 검출된 신호는 상기 신호처리부(4)를 구성하는 비교기(41)를 통해 펄스검출을 위한 신호인 트리거신호에 포함되는 글리치신호에 의한 오동작을 방지하기 위하여 디지털필터링부(71)가 더 구비되어 있다. In addition, the digital signal processing unit 7 detects the signal detected from the current pulse detection unit 2 through the comparator 41 constituting the signal processing unit 4 to the glitch signal included in the trigger signal which is a signal for pulse detection. In order to prevent malfunction due to the digital filtering unit 71 is further provided.

상기 방식으로 전류펄스신호에 트리거 되어 자동으로 검출되어지는 전류펄스의 진폭과 첨두치전압(Vpeak)정보는 검출되는 단일펄스에 대한 적분값을 산출하여 선량으로 환산하기 위한 주요특징정보로 활용되어지고, 제어부(5)와 독립적인 방식으로 신호의 필터링 및 특징정보추출을 수행하여 저장함으로써 제어부의 부하를 최소화할 수 있는 장점이 있다. The amplitude and peak voltage (V peak ) information of the current pulse which is automatically detected by triggering the current pulse signal in the above manner is utilized as the main feature information for calculating the integral value for the detected single pulse and converting it into dose. In addition, there is an advantage in that the load of the controller can be minimized by storing and performing filtering and feature information extraction of the signal in a manner independent of the controller 5.

상기와 같이 구성된 측정장치의 구동을 제어하기 위한 수단으로 상기 제어부(5)가 구성되어 있으며, 상기 제어부(5)는 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 전류펄스검출부(2)로부터 측정된 전류펄스검출정보를 이용하여 감마선량율을 계산하고, 주기적인 모드변환을 통하여 얻어지는 턴온전압(VTH)값으로부터 중성자누적선량을 계산하며, 이들 정보를 저장하고 관리하기 위한 제어프로그램을 구비한 마이크로콘트롤러(51)와 ; 계측정보를 표시하는 디스플레이를 제어하는 디스플레이제어부(52)를 포함하여 구성된다. The control unit 5 is configured as a means for controlling the driving of the measuring device configured as described above, and the control unit 5 has a current pulse measured from the current pulse detection unit 2 as shown in FIG. 5. A microcontroller 51 having a control program for calculating the gamma dose rate using the detection information, calculating the neutron accumulation dose from the turn-on voltage (V TH ) value obtained through periodic mode conversion, and storing and managing the information. )Wow ; And a display controller 52 for controlling a display for displaying the measurement information.

즉, 상기 제어부(5)에 구성된 마이크로콘트롤러(51)는 디지털신호처리부(7)로부터 측정된 전류펄스검출정보를 이용한 감마선량율 계산과 주기적인 모드변환을 통하여 얻어지는 VTH값을 통하여 얻어지는 중성자누적선량에 대한 계산을 통하여 정보를 저장하고 관리하기 위한 장치제어프로그램이 내장되어 있다. That is, the microcontroller 51 configured in the control unit 5 is the neutron accumulation dose obtained through the V TH value obtained through the gamma dose rate calculation and the periodic mode conversion using the current pulse detection information measured from the digital signal processor 7. Built-in device control program for storing and managing information through calculation of.

또한, 상기 제어부(5)에는 외부장치 또는 PC소프트웨어와의 데이터송수신을 통한 원격제어 및 측정을 위한 통신드라이버와 주변장치의 칩선택신호를 생성하는 어드레스디코더와 디지털신호처리부로 부터의 검출신호를 수신하기 위한 FIFO메모리를 더 포함하고 있으며, 상기 디지털신호처리부(7)로부터 자동으로 검출된 전류펄스정보는 상기 FIFO메모리를 통하여 자동으로 입력되어지고, 제어부의 중앙처리장치의 인터럽트처리루틴에 의하여 입력된 전류펄스검출정보를 읽어 들여 펄스폭과 첨두전압(Vpeak)정보를 이용하여 단일펄스에 대한 선량을 계산하기 위한 소프트웨어적인 신호처리방식을 갖는 다. In addition, the control unit 5 receives a detection signal from an address decoder and a digital signal processor for generating a chip select signal of a communication driver and a peripheral device for remote control and measurement through data transmission and reception with an external device or PC software. It further comprises a FIFO memory, wherein the current pulse information automatically detected from the digital signal processing unit 7 is automatically input through the FIFO memory, and input by the interrupt processing routine of the central processing unit of the controller It has software signal processing method to read current pulse detection information and calculate dose for single pulse using pulse width and peak voltage information.

또한, 위의 제어프로그램은 누적선량을 계산함에 있어 주변온도에 따른 PIN다이오드의 I-V곡선의 기울기에 대한 보상을 수행하며, 중성자조사에 따른 PIN다이오드 내부의 격자구조손상정도에 따른 I-V곡선의 기울기에 대한 보상을 함께 수행한다.
In addition, the above control program compensates for the slope of the IV curve of the PIN diode according to the ambient temperature in calculating the cumulative dose, and the slope of the IV curve according to the degree of grid structure damage inside the PIN diode according to the neutron irradiation. Perform rewards together.

상기한 바와 같이 본 발명의 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치는 하나의 PIN다이오드센서를 사용하여 중성자 선량과 감마선 선율정보를 동시에 측정한다. As described above, the neutron and gamma ray measuring apparatus using the single sensor of the present invention simultaneously measures the neutron dose and the gamma ray melody information using one PIN diode sensor.

즉, 선율과 선량은 서로 시간축에 대한 미적분관계에 있고, 상기 제어부의 제어프로그램은 중성자 선량 정보를 시간 미분하여 중성자 선율값을 측정할 수 있고, 감마선율 정보를 시간 적분하여 감마선량 값을 바로 얻을 수 있다. That is, the dose and dose are in a calculus relationship with each other on the time axis, and the control program of the controller can time-differentiate the neutron dose information to measure the neutron dose value, and time-integrate the gamma dose information to obtain the gamma dose value immediately. Can be.

이렇게 두 개의 센서를 별도로 사용하는 대신에 한 개의 센서를 사용하게 되면 사용된 센서의 갯수 감소에서 오는 단순한 경제적 공간적 이점뿐만 아니라, 신호측정 회로와 분석장치의 설계와 신호처리 알고리즘 구현이 단순한 장점이 있는 것이다. Instead of using two sensors separately, the use of one sensor not only has the simple economic and spatial benefits of reducing the number of sensors used, but also has the advantages of designing signal measurement circuits and analyzers and implementing signal processing algorithms. will be.

1 : PIN다이오드센서
2 : 전류펄스검출부
3 : 정전류출력부
4 : 신호처리부
5 : 제어부
6 : 모드변환부
7 : 디지털신호처리부
1: PIN diode sensor
2: Current pulse detector
3: constant current output unit
4: signal processing unit
5:
6: Mode conversion unit
7: digital signal processing unit

Claims (8)

방사선 계측용 PIN다이오드센서(1)와 ; 상기 PIN다이오드센서(1)를 이용하여 감마선의 에너지에 비례한 이온화현상으로 인한 펄스성 전류를 검출하는 전류펄스검출부(2)와 ; 상기 PIN다이오드센서(1)가 중성자입자와 반응함에 따라 순방향 정전류의 인가 시 격자구조손상에 의한 전류제한효과로 의해 증가하는 다이오드양단의 전압을 감지하는 정전류출력부(3)와 ; 상기 전류펄스검출부(2)와 정전류출력부(3)의 출력신호를 측정하고 정보를 추출하는 신호처리부(4)와 ; 상기 신호처리부(4)의 출력신호들을 통하여 중성자누적선량 또는 감마선량을 계산하고 저장 및 관리하는 제어부(5)를 포함하여 구성되되,
상기 전류펄스검출부(2)는 상기 PIN다이오드센서(1)의 광전류를 전압으로 변환하기 위한 I-V변환기(21)와 ;
상기 I-V변환기(21)의 출력을 증폭시키는 전치증폭기(22)와 ;
상기 전치증폭기의 출력 중 일부 대역의 출력만을 통과시키는 대역통과필터(23)와 ;
상기 대역통과필터(23)의 출력신호를 비선형 변환시키는 로그앰프(24)로 구성됨을 특징으로 하는 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치.
PIN diode sensor 1 for radiation measurement; A current pulse detector (2) for detecting a pulsed current due to ionization in proportion to the energy of gamma rays by using the PIN diode sensor (1); A constant current output unit (3) for sensing the voltage across the diode due to the current limiting effect caused by the lattice structure damage upon application of forward constant current as the PIN diode sensor (1) reacts with the neutron particles; A signal processor (4) for measuring output signals of the current pulse detector (2) and the constant current output unit (3) and extracting information; It includes a control unit 5 for calculating, storing and managing the neutron cumulative dose or the gamma dose through the output signals of the signal processor 4,
The current pulse detection unit 2 includes an IV converter 21 for converting the photocurrent of the PIN diode sensor 1 into a voltage;
A preamplifier 22 for amplifying the output of the IV converter 21;
A band pass filter 23 for passing only outputs of some bands of the outputs of the preamplifiers;
A neutron and gamma ray measuring apparatus using a single sensor, characterized in that consisting of a log amplifier 24 for non-linear conversion of the output signal of the band pass filter (23).
제 1 항에 있어서,
상기 PIN다이오드센서(1)와 전류펄스검출부(2) 및 정전류출력부(3) 사이에는 상기 PIN다이오드센서(1)에 인가되는 전압의 방향을 전환하는 모드변환부(6)가 구성됨을 특징으로 하는 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치.
The method of claim 1,
Between the PIN diode sensor 1, the current pulse detection unit 2 and the constant current output unit 3, a mode conversion unit 6 for switching the direction of the voltage applied to the PIN diode sensor 1 is configured. Neutron and gamma ray measuring device using a single sensor.
제 1 항에 있어서,
상기 신호처리부(4)와 제어부(5) 사이에는 신호처리부(4)의 출력신호를 디지털신호로 변환하는 디지털신호처리부(7)가 구성됨을 특징으로 하는 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치.
The method of claim 1,
A device for measuring neutrons and gamma rays using a single sensor, characterized in that a digital signal processing unit (7) is configured between the signal processing unit (4) and the control unit (5) to convert the output signal of the signal processing unit (4) into a digital signal.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 정전류출력부(3)는
상기 PIN다이오드센서(1)에 공급되는 순방향 정전류에 의해 변화하는 턴온전압(VTH)을 검출하는 전압검출부(31)와 ;
상기 전압검출부(31)의 출력을 증폭시키는 증폭기(32)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치.
The method of claim 1,
The constant current output unit 3
A voltage detector (31) for detecting a turn-on voltage (V TH ) which is changed by a forward constant current supplied to the PIN diode sensor (1);
A neutron and gamma ray measuring apparatus using a single sensor, characterized in that it comprises an amplifier (32) for amplifying the output of the voltage detector (31).
제 5 항에 있어서,
상기 신호처리부(4)는
기준신호입력인 트리거신호검출을 위한 비교기(41)와 ;
상기 비교기(41)에서의 신호검출의 하한 임계치 전압을 설정하기 위한 DAC(42)와 ;
모드변환에 따른 전류펄스신호와 턴온전압(VTH)의 출력전압을 선택적으로 스위칭하기 위한 아날로그멀티플렉서(43)와 ;
전류펄스의 피크(Peak)전압 및 턴온전압(VTH)의 아날로그 전압값을 디지털로 변환하기 위한 ADC(44)를 포함함을 특징으로 하는 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치.
The method of claim 5, wherein
The signal processor 4
A comparator 41 for detecting a trigger signal as a reference signal input;
A DAC 42 for setting a lower limit threshold voltage of signal detection in the comparator 41;
An analog multiplexer 43 for selectively switching the current pulse signal and the output voltage of the turn-on voltage V TH according to the mode conversion;
A device for measuring neutrons and gamma rays using a single sensor, comprising: an ADC (44) for converting a peak voltage of a current pulse and an analog voltage value of a turn-on voltage (V TH ) to digital.
제 6 항에 있어서,
상기 제어부(5)는
상기 전류펄스검출부(2)로부터 측정된 전류펄스검출정보를 이용하여 감마선량율을 계산하고, 주기적인 모드변환을 통하여 얻어지는 턴온전압(VTH)값으로부터 중성자누적선량을 계산하며, 이들 정보를 저장하고 관리하기 위한 제어프로그램을 구비한 마이크로콘트롤러(51)와 ;
계측정보를 표시하는 디스플레이를 제어하는 디스플레이제어부(52)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치.
The method according to claim 6,
The control unit 5
The gamma dose rate is calculated using the current pulse detection information measured by the current pulse detection unit 2, the neutron accumulation dose is calculated from the turn-on voltage (V TH ) value obtained through periodic mode conversion, and the information is stored. A microcontroller 51 having a control program for management;
A neutron and gamma ray measuring apparatus using a single sensor, characterized in that it comprises a display control unit 52 for controlling the display for displaying the measurement information.
제 7 항에 있어서,
디지털신호처리부(7)는
상기 전류펄스검출부(2)로부터 출력되는 전류펄스신호의 트리거신호에 포함되는 글리치신호에 의한 오동작을 방지하는 디지털필터링부(71)와 ;
전류펄스신호의 진폭(Pulse duration)을 검출하기 위한 펄스진폭검출부(72)와 ;
상기 전류펄스검출부(2)로부터 출력되는 전류펄스신호의 펄스폭과 최대첨두전압(Vpeak)을 측정하는 아날로그멀티플렉서(43)와 ADC(44)를 제어하기 위한 ADC제어부(73)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 단일센서를 이용한 중성자와 감마선의 측정장치.
The method of claim 7, wherein
The digital signal processor 7
A digital filtering unit (71) for preventing malfunction due to a glitch signal included in a trigger signal of the current pulse signal output from the current pulse detection unit (2);
A pulse amplitude detection unit 72 for detecting an amplitude of a current pulse signal;
And an analog multiplexer 43 for measuring the pulse width and the maximum peak voltage (V peak ) of the current pulse signal output from the current pulse detector 2 and an ADC controller 73 for controlling the ADC 44. Measuring device for neutrons and gamma rays using a single sensor.
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