KR101825532B1 - 민감도가 향상된 방사선 계측방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 민감도가 향상된 방사선 계측방법 및 계측장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 민감도가 향상된 방사선 계측방법은, 방사선을 섬광체에 조사하여 발생하는 빛을 검출하는 방법에서 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자를 이용하되, 상기 나노입자와 섬광체의 최적 조합을 구성함에 따라 섬광체로부터 발생하는 빛을 증폭하여 민감도를 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

민감도가 향상된 방사선 계측방법 및 장치 {Method for detecting radiation and apparatus}
본 발명은 민감도가 향상된 방사선 계측방법 및 계측장치에 관한 것이다.
현재 방사선 흡수선량 측정에 가장 널리 사용되고 있는 이온전리함(ionization chamber)의 경우, 표면선량 및 선량보강영역에서의 선량을 정확히 측정하기에는 부피가 크므로 다차원 측정이 불가능하고, 온도 및 구성 물질에 따른 보정작업이 필요하다는 단점이 있다. 열형광 선량계(thermoluminescence, TLD)의 경우, 개인선량계로는 최적의 선량계이나 실시간 측정이 불가능하며, 사용 전 가열 냉각 처리가 필수적이라 많은 불편함이 따른다. Gafchromic EBT 필름은 2차원 측정이 가능하고 두께가 얇기 때문에 표면선량을 측정할 수 있으나, 필름의 특성상 에너지 및 방향 의존성이 크고 선질 특성이 나쁘며 실시간 측정이 불가능하다는 단점이 있다.
이에 따라 최근에는 방사선이 입사하게 되면 빛을 발생하게 되는 섬광체(scintillator)와 이 발생된 빛을 검출하는 광검출기가 결합된 섬광체 방사선 계측장치가 널리 이용되고 있다.
이에, 본 발명자들은 섬광체 방사선 계측방법의 민감도를 향상시키기 위하여 연구하던 중, 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자를 이용하되, 상기 나노입자와 섬광체의 최적 조합을 구성함에 따라 섬광체로부터 발생하는 빛을 증폭하여 민감도를 현저히 향상시킬 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
공개특허공보 10-2012-0084591호
본 발명의 목적은 민감도가 향상된 방사선 계측방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 민감도가 향상된 방사선 계측장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 방사선을 섬광체(scintillator) 또는 광학수정(photonic crystal)이 적용된 섬광체에 조사하는 단계(단계 1);
방사선 조사에 의해 섬광체 또는 광학수정이 적용된 섬광체에서 발생하는 빛이 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자에 의해 증폭되는 단계(단계 2); 및
증폭된 빛을 광검출기로 정성 또는 정량 검출하는 단계(단계 3);를 포함하는 민감도가 향상된 방사선 계측방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 광검출기, 투명 접착제 및 섬광체를 순차적으로 적층하여 포함하는 방사선 계측장치에 있어서,
표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 계측장치를 제공한다.
나아가, 본 발명은 광검출기, 투명 접착제, 광학수정 및 섬광체를 순차적으로 적층하여 포함하는 방사선 계측장치에 있어서,
표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 계측장치를 제공한다.
본 발명에 따른 민감도가 향상된 방사선 계측방법은, 방사선을 섬광체에 조사하여 발생하는 빛을 검출하는 방법에서 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자를 이용하되, 상기 나노입자와 섬광체의 최적 조합을 구성함에 따라 섬광체로부터 발생하는 빛을 증폭하여 민감도를 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자를 포함한 방사선 계측방법의 모식도이다.
도 2(a)는 본 발명의 일시시예에 따른 550nm 피크 파장을 내는 CsI(Tl) 섬광체와 553nm에서 최대 표면 플라스몬 공명 효과를 나타내는 금 나노입자(직경 80nm)를 조합한 방사선 계측방법의 모식도이다.
도 2(b)는 실리콘 광검출기의 파장에 따른 광 감응도 그래프이다.
도 2(c)는 금 나노입자의 직경에 따른 표면 플라스몬 공명 효과를 최대로 내는 파장을 나타낸 표이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
방사선 계측방법
본 발명은 방사선을 섬광체(scintillator) 또는 광학수정(photonic crystal)이 적용된 섬광체에 조사하는 단계(단계 1);
방사선 조사에 의해 섬광체 또는 광학수정이 적용된 섬광체에서 발생하는 빛이 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자에 의해 증폭되는 단계(단계 2); 및
증폭된 빛을 광검출기로 정성 또는 정량 검출하는 단계(단계 3);를 포함하는 민감도가 향상된 방사선 계측방법을 제공한다.
본 발명에 따른 계측방법에 있어서, 상기 단계 1은 방사선을 섬광체(scintillator) 또는 광학수정(photonic crystal)이 적용된 섬광체에 조사하는 단계이다.
상기 방사선으로는 알파선, 베타선, 감마선, X선, 중성자선 등일 수 있다.
상기 광학수정은 종래에 알려진 모든 것을 적용할 수 있다.
상기 섬광체는 구성성분에 따라 피크(최대) 파장이 상이하며, 종래 알려진 모든 무기섬광체, 유기섬광체, 플라스틱 섬광체 또는 유무기 복합 섬광체를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 유기섬광체의 일례로는 안트라센 (C14H10), 스틸벤 (C14H12), 나프탈렌 (C10H8) 등을 사용할 수 있다.
상기 플라스틱 섬광체의 일례로는 Li6 플라스틱 섬광체, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리비닐톨루엔 (PVT) 기반 혼합물, 폴리스티렌 (PS) 기반 혼합물, 폴리비닐자일렌 (PVX) 및 폴리메틸 기반 혼합물, 2,4-디메틸 기반 혼합물, 2,4,5-트리메틸스티렌 기반 혼합물, 폴리비닐디페닐 기반 혼합물, 폴리비닐나프탈렌 기반 혼합물, 폴리비닐테트라하이드로나프탈렌 기반 혼합물과 상기 물질들의 공중합체 기반 혼합물 등을 사용할 수 있다.
상기 무기 섬광체의 일례로는 CsI(Tl), CsI(Na), CSI(pure), CsF, Kl(Tl), Lil(Eu), BaF, CaF2(Eu), ZnS(Ag), CdWO4, YAG(Ce)(Y3Al5O12(Ce)), LaCl3(Ce), LaBr3, LYSO, GSO, BGO, CaWO4, NaI, Gd2O2S 등을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 일례로 CsI(Tl)을 섬광체로 사용하였다.
본 발명에 따른 계측방법에 있어서, 상기 단계 2는 방사선 조사에 의해 섬광체 또는 광학수정이 적용된 섬광체에서 발생하는 빛이 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자에 의해 증폭되는 단계이다.
상기 나노입자는 구성성분, 입자크기, 형상 및 배열에 따라 표면 플라스몬 공명 효과를 최대로 나타내는 피크(최대) 파장이 상이하며, 종래 알려진 모든 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자를 사용할 수 있다.
일례로, 상기 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자로는 금, 은, 백금, 티타늄 등의 귀금속 나노입자, 그래핀, CNT 등의 금속성 나노물질, 또는 귀금속을 고분자나 산화물로 감싼 코어-쉘 구조의 나노입자를 사용할 수 있으나, 이에 제한하지 않는다. 본 발명에서는 일례로, 금 나노입자(직경 80nm, 제조사: Sigma Aldrich)를 사용하였다.
표면 플라스몬 공명 현상을 발광 소재 또는 소자에 접목시켜 광 추출 효율을 향상시키는 연구는 LED (Light Emitting Diode)의 효율을 향상시키기 위해서 종래에 연구되었고, 이미 그 효과가 검증이 된 기술이다. 본 발명에서는 비슷한 원리를 이용하여 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자를 통해 섬광체에서 발생되어 방출되는 빛의 세기를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 계측방법은 상기 단계 2에서 섬광체 또는 광학수정이 적용된 섬광체에서 발생하는 빛의 파장대 중 피크(최대) 파장±10nm의 파장 범위에서 표면 플라스몬 공명 효과를 최대로 나타내는 나노입자를 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 한다(도 2 참조).
방사선을 조사할 경우 각 섬광체 별로 고유의 피크 파장이 존재하는데, 이에 따라 나노입자의 종류, 형상, 크기, 배열 등을 조절하여 플라스몬 효과가 최대로 일어나는 조건으로 나노입자를 선택적으로 형성하여 방사선 계측의 민감도를 현저히 증가시킬 수 있다.
표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자는 표면 플라스몬 공명 효과를 최대로 나타내는 피크 파장을 조사할 경우 최고 72배까지 증폭 효과를 내는 것으로 보고되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 방법에서 섬광체를 통해 방출되는 피크 파장과 유사한 표면 플라스몬 공명 피크 파장의 나노입자를 선택하여 사용할 경우, 최대 72배까지 증폭 효과를 낼 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서 증폭된 빛의 세기는 광 검출기의 전기적 신호를 증가시키고 이는 곧 방사선 검출기의 민감도 향상으로 이어지는 원리이다.
따라서, 섬광체와 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자의 최적 조합을 구성할 때에 방사선 계측 민감도가 현저히 향상될 수 있고, 최적 조합을 고려하지 않을 경우 방사선 계측 민감도 향상을 기대하기 어렵다.
본 발명에 따른 계측방법에 있어서, 상기 단계 3은 증폭된 빛을 광검출기로 정성 또는 정량 검출하는 단계이다.
상기 광검출기는 종래의 모든 광검출기를 사용할 수 있다. 광 검출기의 예로는, 광증배관(photo-multiplier tube, PMT), 빛에 대한 고속 응답을 가지고 감도파장이 넓은 포토다이오드(photodiode), 광신호를 축적할 수 있고 다채널 측정이 용이한 전하결합소자(charge coupled device, CCD), 일반적으로 널리 사용되고 있는 실리콘 광검출기 등을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 일례로 실리콘 광검출기를 사용하였다.
상기 광검출기는 컴퓨터 연상장치와 연동하여 사용할 수 있다.
방사선 계측장치 1
본 발명은 광검출기, 투명 접착제 및 섬광체를 순차적으로 적층하여 포함하는 방사선 계측장치에 있어서,
표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 계측장치를 제공한다.
상기 나노입자는,
광검출기 및 투명접착제 사이 위치;
투명 접착제 및 섬광체 사이 위치; 및
투명 접착제 내부 위치;로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 위치에 위치할 수 있다.
표면 플라스몬 공명 유도용 나노 입자를 본 발명에 따른 방사선 계측장치에 형성시키는 방법으로는 해당 구성요소에 금속박막증착 후 열처리하여 나노크기의 입자로 응집시키는 방법, 직접 나노입자를 솔루션 형태의 용액에 분산하여 회전도포 시키거나 스프레이 코팅을 하는 방법 등을 이용할 수 있다.
방사선 계측장치 2 (광학수정 포함)
본 발명은 광검출기, 투명 접착제, 광학수정(photonic crystal) 및 섬광체를 순차적으로 적층하여 포함하는 방사선 계측장치에 있어서,
표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 계측장치를 제공한다.
상기 나노입자는,
광검출기 및 투명접착제 사이 위치;
투명 접착제 및 광학수정 사이 위치;
광학수정 및 섬광체 사이 위치; 및
투명 접착제 내부 위치;로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 위치에 위치할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자를 포함하는 방사선 계측장치
섬광체: CsI(Tl)
표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자: 금 나노입자 (직경 80nm, 제조사: Sigma-Aldrich)
광검출기: 실리콘(Si) 광검출기
투명접착제: 아크릴계 투명 접착제
섬광체 표면에 금 나노입자가 용해된 PBS 용액을 스프레이 코팅하고 건조하여, 금 나노입자가 표면에 코팅된 섬광체를 준비하였다. 상기 코팅된 섬광체와 광검출기를 투명 접착제로 접착하고, 광검출기를 컴퓨터 연상장치에 연결하여, 방사선 계측장치를 제조하였다.
CsI(Tl) 섬광체는 방사선을 받으면 550nm 파장에서 가장 강한 빛을 발광한다. 반면, 섬광체와 가장 흔하게 결합되는 광 검출기는 실리콘 포토디텍터인데, 실리콘 포토디텍터의 경우 그림 2(b)와 같이 550nm에서는 광검출효율이 낮다. 따라서, 방사선 조사시 CsI(Tl) 섬광체에서 발생하는 550nm 파장의 빛을 증폭할 수 있다면, 기존보다 광 검출기로 더 많은 양의 빛이 입사되므로 기존의 실리콘 광 검출기에서 발생되던 신호보다 더 큰 신호를 발생하게 되므로, 민감한 방사선 센서를 제작할 수 있게 되는 것이다.
금 나노입자는 직경(nm)에 따라 최대 플라스몬 효과가 일어나는 파장대가 다르다. 도면 2(c)에서와 같이 금 나노입자의 직경이 80nm일 때, 553nm 파장의 빛과 반응할 때 표면 플라스몬 공명 효과가 가장 크므로, CsI(Tl) 섬광체를 사용할 경우 80nm의 금 나노입자를 선택하여 섬광체 상에 도포하게 되면, 550nm파장의 빛을 강하게 증폭할 수 있는 것이다.
같은 원리에 의하여 다른 섬광체도 방사선 조사시 발생되는 피크 파장에 따라 나노입자의 크기와 형상을 조절하여 최적의 조합을 찾아 검출 민감도가 향상된 방사선 센서를 제작할 수 있다.

Claims (10)

  1. 방사선을 섬광체(scintillator) 또는 광학수정(photonic crystal)이 적용된 섬광체에 조사하는 단계(단계 1);
    방사선 조사에 의해 섬광체 또는 광학수정이 적용된 섬광체에서 발생하는 빛이 표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자에 의해 증폭되는 단계(단계 2); 및
    증폭된 빛을 광검출기로 정성 또는 정량 검출하는 단계(단계 3);를 포함하고,
    상기 섬광체는 CsI(Tl)이고,
    상기 나노입자는 직경 80 nm의 금 나노입자인 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 방사선 계측방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 광검출기, 투명 접착제 및 섬광체로서 CsI(Tl)를 순차적으로 적층하여 포함하는 방사선 계측장치에 있어서,
    표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자로서 직경 80 nm의 금 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 계측장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 나노입자는,
    광검출기 및 투명접착제 사이 위치;
    투명 접착제 및 섬광체 사이 위치; 및
    투명 접착제 내부 위치;로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 방사선 계측장치.
  9. 광검출기, 투명 접착제, 광학수정(photonic crystal) 및 섬광체로서 CsI(Tl)를 순차적으로 적층하여 포함하는 방사선 계측장치에 있어서,
    표면 플라스몬 공명 유도용 나노입자로서 직경 80 nm의 금 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 계측장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 나노입자는,
    광검출기 및 투명접착제 사이 위치;
    투명 접착제 및 광학수정 사이 위치;
    광학수정 및 섬광체 사이 위치; 및
    투명 접착제 내부 위치;로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 방사선 계측장치.
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