KR101327540B1 - 광증배관 증폭률 모니터링 장치, 이를 이용한 광증배관 모니터링 방법, 및 이를 포함하는 방사선 측정 장치 - Google Patents

광증배관 증폭률 모니터링 장치, 이를 이용한 광증배관 모니터링 방법, 및 이를 포함하는 방사선 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 입사되는 광신호를 전기신호로 변환 및 증폭하는 광증배관의 증폭률 모니터링 장치에 있어서, 광원과, 상기 광원에서 방출된 광신호를 상기 광증배관의 음극판에 입사시키는 광섬유, 및 상기 광신호가 변환된 전기신호를 수집하여 증폭률을 측정하는 연산제어부를 포함하는 광증배관 증폭률 모니터링 장치를 개시한다.

Description

광증배관 증폭률 모니터링 장치, 이를 이용한 광증배관 모니터링 방법, 및 이를 포함하는 방사선 측정 장치{APPARATUS AND METHOD FOR MONITORING AMPLIFICATION FACTOR OF PHOTO MULTIPLIER TUBE AND RADIATION DETECTOR INCLUDING THE SAME}
본 발명은 광증배관에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 광증배관의 증폭률을 측정하는 모니터링 장치, 이를 이용한 광증배관 모니터링 방법, 및 이를 포함하는 방사선 측정 장치에 관한 것이다.
광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT)는 광신호를 전기신호로 변환/증폭하기 위하여 사용하는 장치이다. 특히, 섬광물질과 함께 사용하여 방사선 측정에 활용되고 있다.
도 1을 참조할 때, 광증배관(10)은 광이 입사되는 음극판(11), 복수 개의 다이노드(dynode, 12), 및 양극판(13)으로 구성된다. 음극판(11)에 광이 입사되면 광전효과(Photoelectric effect)에 의해 광전자가 발생되고, 광전자는 연속된 다이노드(12)에 입사되면서 복수 개의 자유전자가 발생하게 된다.
따라서, 광전자가 복수 개의 연속된 다이노드(12)를 통과하게 되면 측정 가능한 정도의 전기신호로 증폭된다. 이렇게 증폭된 전기신호는 양극판(13)을 통해 외부로 출력된다.
이때, 광증배관의 작동을 위해서는 음극판(11) 및 연속된 다이노드(12) 간의 전압차가 필요하며, 이를 위하여 수백에서 수천 볼트(volt)의 고전압을 음극판(11)과 양극판(13)에 인가한다. 광증배관의 증폭률은 인가되는 고전압의 크기에 따라 결정된다.
광증배관을 광센서로 사용하거나 또는 섬광물질과 조합하여 방사선센서로 사용할 경우, 광센서의 광량, 방사선의 종류, 및 방사선의 에너지량에 따라 광증배관을 통하여 생성되는 전기신호가 달라진다. 따라서, 광증배관의 전기신호를 측정하여 광량, 방사선의 종류, 및 방사선의 에너지를 측정할 수 있다.
그러나, 광증배관의 증폭률은 기온 등 주위 환경 조건에 따라 변화할 수 있다. 환경 조절이 비교적 용이한 실험실 내에서는 큰 문제가 되지 않으나, 실제 산업 현장과 같이 환경조건이 조절 용이하지 않거나 온도의 변화가 많은 지역에서 측정이 이루어지는 경우에는 증폭률이 크게 변화하여 동일한 방사선 또는 광신호에 대해서 전기신호의 크기가 달라져 정확한 측정이 불가능한 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 광증배관의 증폭률을 정확하게 측정하여 증폭률 오차를 조절할 수 있는 광증배관 증폭률 모니터링 장치, 이를 이용한 광증배관 모니터링 방법, 및 이를 포함하는 방사선 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광증배관 증폭률 모니터링 장치는, 입사되는 광신호를 전기신호로 변환 및 증폭하는 광증배관의 증폭률 모니터링 장치에 있어서, 광원; 상기 광원에서 방출된 광신호를 상기 광증배관의 음극판에 입사시키는 광섬유; 및 상기 음극판에 입사된 광신호가 변환된 전기신호를 수집하여 증폭률을 측정하는 연산제어부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광증배관 증폭률 모니터링 장치에서, 상기 광섬유에 연결된 광 감쇠기(light attenuator)를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광증배관 증폭률 모니터링 장치에서, 상기 광 감쇠기는 상기 광증배관에서 변환된 전기신호가 단일 광전자(single photoelectron)신호가 되도록 감쇠율이 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광증배관 증폭률 모니터링 장치에서, 상기 연산제어부는 측정된 증폭률이 미리 설정된 증폭률로 유지되도록 광증배관에 인가되는 전압을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광증배관 증폭률 모니터링 장치에서, 상기 전기신호를 증폭하는 증폭기와, 전기신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 측정 장치는, 음극판, 복수 개의 다이노드, 및 양극판을 포함하는 광증배관; 상기 광증배관의 전단에 부착되어 방사선 입사시 광신호를 발생하는 섬광부재; 및 상기 광증배관의 증폭률을 측정하는 광증배관 증폭률 모니터링 장치를 포함하되, 상기 광증배관 증폭률 모니터링 장치는, 광원, 상기 광원에서 방출된 광신호를 상기 광증배관의 음극판에 입사시키는 광섬유, 및 상기 음극판에 입사된 광신호가 변환된 전기신호를 수집하여 증폭률을 측정하는 연산제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광증배관 증폭률 모니터링 방법은, 광원에서 방출된 광을 광증배관에 광신호를 입사시키는 단계; 상기 광신호가 변환되는 전기신호를 수집하여 증폭률을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 증폭률을 미리 설정된 증폭률과 비교하여 광증배관에 인가되는 전압을 조절하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 외부 환경의 변화에 따른 광증배관 증폭률의 변화를 정확하게 측정할 수 있다. 따라서, 측정된 증폭률을 미리 설정된 증폭률로 조절하여 정확한 광량, 방사선의 종류, 방사선 에너지를 측정할 수 있다.
도 1은 광증배관의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광증배관 증폭률 모니터링 장치의 블럭도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광증배관 증폭률 모니터링 장치의 일 예이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광증배관 증폭률 모니터링 단계를 보여주는 흐름도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 측정 장치의 블럭도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2와 도 3을 참조할 때, 본 발명의 실시예에 따른 광증배관(100)의 증폭률 모니터링 장치는, 광증배관(100), 광신호 발생부(200), 전원부(300), 및 연산제어부(500)를 포함한다.
광신호 발생부(200)는 광원(210)과 광섬유(240)를 포함하며, 광원(210)은 LED, OLED와 같이 소정 에너지 이상의 광신호를 출사하는 다양한 종류의 광원(210)이 선택될 수 있다. 본 발명에서는 LED로 설명한다.
광섬유(optical fiber, 240)는 광원(210)에 연결되고 광증배관(100)의 음극판으로 연장되어, 광원(210)에서 출사된 광신호가 음극판에 주입되도록 구성된다. 광섬유(240)는 코어와 이를 둘러싸는 클래드로 형성되고, 이들 간의 굴절률차에 의해 광 손실 없이 음극판으로 전달될 수 있도록 구성된다.
광섬유(240)를 통해 광이 음극판에 입사되면, 광전 효과(Photoelectric effect)에 의해 광전자(Photoelectron)가 발생하게 된다. 이렇게 발생된 광전자는 복수개의 다이노드에 충돌하면서 여러 개의 자유전자가 튀어나오게 되어 양극판에 증폭된 전기신호가 출력된다.
데이터 변환부(400)는 이러한 전기신호를 증폭시키는 증폭기(fast timing amplifier, 410)와, 전기신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환부(420)로 구성된다.
연산제어부(500)는 AD 변환부(420)를 통해 변환된 신호를 수집하여 광증배관의 증폭률을 측정한다. 이때, 정확한 증폭률을 모니터링 하기 위해서는 외부에서 입사되는 광신호의 양이 일정하여야 한다. 그러나, 일반적으로 광원(210)에서 방출되는 광량은 LED 구동전압 및 온도 등의 외부 환경에 따라 변화하기 때문에 광량이 일정하지 않고, 이에 따라 광증배관에서 변환되는 신호 역시 일정하지 않아 정확하게 광증배관의 증폭률을 측정하기 어려운 점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 단일 광전자 신호(single photoelectron)의 증폭률을 측정한다. 증폭률 모니터링을 위한 광증배관의 신호를 단일 광전자 신호를 이용한다면, 외부 요인에 의해 광량이 변화하여도 광증배관 신호는 항상 단일 광전자 신호가 되므로 정확한 증폭률을 측정할 수 있다.
광증배관 신호가 단일 광전자 신호를 갖기 위해서는 광증배관에 입사하는 광신호의 양을 미량으로 유지해야 한다. 따라서, 본 발명에서는 광섬유(240) 사이에 광 감쇠기(light attenuator, 230)를 구비하여 광원(210)에서 음극판으로 입사되는 광량을 미량으로 유지하여 광증배관 신호가 단일 광전자 신호를 갖도록 구성한다.
이때, 광 감쇠기(230)는 광증배관의 신호가 단일 광전자 신호가 될 수 있도록 감쇠율이 조절된다. 감쇠율은 실험에 의해 광증배관이 단일 광전자 신호로 변환될 수 있는 소정의 광량을 측정하고 그에 따라 감쇠율을 조절할 수 있다. 이러한 광 감쇠기(230)를 이용하면 광량을 미량으로 제어하여 광증배관(100)의 신호를 단일 광전자 신호로 유지할 수 있으므로 이후 광증배관에서 증폭된 단일 광전자 신호의 증폭률을 측정할 수 있다.
광 감쇠기(230)는 MEMS 방식 또는 가변형 광 감쇠기일 수 있으며 그 밖에 광을 정확하게 제어할 수 있다면 종류에는 제한되지 않는다.
증폭기(410)는 광증배관의 신호가 단일 광전자 신호의 경우 신호가 상대적으로 약하므로 신호를 측정할 수 있도록 증폭하는 역할을 수행한다.
연산제어부(500)는 광증배관 신호를 측정하여 산출된 증폭률이 미리 설정된 증폭률과 비교해 차이가 있는 경우에는, 광증배관(100)에 인가되는 전압이 조절되도록 전압부(300)에 전압 인가 제어신호를 출력할 수 있다.
광증배관(100)의 증폭률은 음극판과 다이노드 간의 전압차에 의해 변동되므로 전압을 높이면 증폭률은 상승하고, 전압을 낮추면 증폭률은 감소하게 된다. 따라서 측정된 증폭률이 미리 설정된 증폭률보다 낮은 경우에는 전압을 올리도록 제어신호를 출력하고, 그 반대인 경우에는 전압을 낮추도록 제어신호를 출력한다.
본 발명에 따르면, 단일 광전자 신호의 증폭률을 측정하므로 정확하게 광증배관의 증폭률을 측정하고, 측정된 증폭률을 미리 설정된 증폭률로 조절할 수 있으므로 외부 환경에 의해 광증배관(100)의 증폭률이 변화된 경우에도 다시 조절하기 용이하다.
이러한 모니터링은 소정 간격으로 이루어질 수 있다. 따라서, 광증배관(100)에 의해 광량 또는 방사선 에너지를 소정 기간 측정한 후, 주기적으로 모니터링하여 증폭률을 일정하게 유지할 수 있다.
도 4를 참조할 때, 광증배관 증폭률 모니터링 방법은, 소정 간격으로 광신호 발생부(200)를 구동하여 광증배관(100)에 광신호를 입사시키는 단계(S10)와, 상기 광신호가 변환되는 전기신호를 수집하여 증폭률을 측정하는 단계(S20), 및 상기 측정된 증폭률을 미리 설정된 증폭률과 비교하여 광증배관(100)에 인가되는 전압을 조절하는 단계(S30)를 포함할 수 있다. 각 단계에 대한 설명은 이미 상술하였는바 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광증배관 증폭률 모니터링 장치는 섬광부재와 결합하여 방사선 에너지를 측정하는데 사용할 수 있다. 도 5를 참조할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 측정 장치는, 음극판과 복수 개의 다이노드, 및 양극판을 포함하는 광증배관(100)과, 상기 광증배관(100)의 전단에 부착되어 방사선 입사시 광신호를 발생하는 섬광부재(110), 및 상기 광증배관(100)의 증폭률을 측정하는 광증배관 증폭률 모니터링 장치를 포함한다.
구체적으로 섬광부재(110)는 방사선이 입사되면 광을 발생시키는 섬광물질로 구성되며, 광유도기(도시되지 않음)를 통해 광증배관(100)과 접촉된다.
따라서, 방사선이 입사되어 섬광부재(110)에서 발생된 광은 광증배관(100)의 음극판으로 입사되어 전기신호로 변환되고 데이터 변환부(400)에 의해 디지털 신호로 변환된다.
이러한 신호는 방사선의 종류 및 에너지에 따라 비례관계가 존재하므로 이를 통해 방사선의 종류 및 에너지량를 측정할 수 있다. 이때, 측정된 방사선의 종류 및 에너지량은 통신모듈을 통해 메모리부(600)에 전송되어 저장될 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 연산제어부(500)는 주기적으로 광신호 발생부(200)에 출력신호를 인가하여 단일 광자를 음극판에 주입하여 증폭률을 측정하고 측정된 증폭률이 미리 설정된 증폭률과 상이한 경우에는 그에 맞게 광증배관(100)에 인가되는 전압을 조절한다.
따라서, 단일 광전자 신호의 증폭률을 정확하게 모니터링하고 측정된 증폭률을 미리 설정된 증폭률로 조절하여 일정하게 유지할 수 있으므로, 정확한 방사선의 종류 및 에너지량을 측정할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 100: 광증배관 11: 음극판
12: 다이노드 13: 양극판
200: 광신호 발생부 210: LED
230: 광 감쇠기 240: 광섬유
300: 전원부 400: 데이터 변환부
500: 연산제어부 600: 메모리부

Claims (11)

  1. 음극판, 복수 개의 다이노드, 및 양극판을 포함하는 광증배관;
    상기 광증배관의 전단에 부착되어 방사선 입사시 광신호를 발생하는 섬광부재; 및
    상기 광증배관의 증폭률을 측정하는 광증배관 증폭률 모니터링 장치를 포함하되,
    상기 광증배관 증폭률 모니터링 장치는,
    광원과, 상기 광원에서 방출된 광신호를 상기 광증배관의 음극판에 입사시키는 광섬유, 및 상기 광신호가 변환된 전기신호를 수집하여 상기 광증배관의 증폭률을 측정하는 연산제어부를 포함하는 방사선 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유에 연결되는 광 감쇠기(light attenuator)를 더 포함하는 방사선 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광 감쇠기는 상기 광증배관에서 변환된 전기신호가 단일 광전자(single photoelectron) 신호가 되도록 감쇠율이 조절된 방사선 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연산제어부는 측정된 광증배관의 증폭률이 미리 설정된 증폭률로 유지되도록 상기 광증배관에 인가되는 전압을 조절하는 방사선 측정 장치.
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