KR101864716B1 - 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기 - Google Patents
알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에서는 기존 α선, 베타선, 감마선 등 여러 방사선을 멀티로 검출할 수 있는 TPS 방사선 검출장치의 제작 기술 개발은 방사선 계측기 산업뿐만 아니라 원자력 발전소 등에 필수적 장비임에도 그 개발속도가 더딘 문제점과, 측정시 방사선 투입 방향면으로 측정하기 때문에, 정확치 않고 가격이 비싸 경제적이지 않으며, 실시간 측정이 불가능하여 측정을 하는데 시간이 많이 소요되는 문제점을 개선하고자, 검출기본체(10), 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부(20), 씬 플라스틱 신틸레이터부(30), 마일러-폴리에스테르 필름부(40), 메쉬 그리드(Mesh Grid)부(50), PMT부(60), 광반사(Light Reflector)부(70), 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부(80), 블랙시트지부(90), 스마트제어박스부(100)로 구성됨으로써, 국내 독자기술로 조립하여 박스형상으로 슬림하게 밀폐 제작할 수 있어, 외부로부터 빛, 습기를 차단시키면서, 빛의 반사를 기존에 비해 80% 향상시킬 수 있고, 스마트제어박스부를 통해 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 발생되는 빛을 기준으로, 현장분석한 후, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 생성시킬 수 있어, 기존에 없던 실시간 방사선 현장계측시스템을 구축시킬 수 있으며, 선량률(Dose rate)에 대한 선형적 응답이 가능하며, 베타(beta) 입자(Sr/Y-90)에 대한 절대효율을 52.41%로 향상시킬 수 있고, 온도, 압력 등으로부터 계측 독립성을 가지며, 흡수선량의 측정뿐만 아니라, 사용후 핵연료감시, 원전 및 방사성폐기물 저장시설 주변의 환경방사선 측정, 방사선진단 시, 피폭선량 측정, 토양 및 수중방사선계측에도 널리 응용할 수가 있어, 국내 독자기술을 바탕으로 한 TPS 방사선 검출시장을 활성화시킬 수 있는 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기를 제공하는데 그 목적이 있다.
Description
본 발명에서는 국내 독자기술로 조립하여 박스형상으로 슬림하게 밀폐 제작할 수 있고, 스마트제어박스부를 통해 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 발생되는 빛을 기준으로, 현장 분석한 후, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 실시간 생성시킨 후, 현장분석데이터를 근거리의 스마트 디바이스, 또는 원격지의 방사선관리 서버쪽으로 전송시킬 수 있는 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기에 관한 것이다.
현재 사용하고 있는 TPS(Thin Plastic Scintillator) 방사선 검출장치는 전량 수입에 의존하고 있다.
최근에 원자력분야에서의 국내독자용 TPS 방사선 검출장치 국산화 사업을 추진하고 있으며, 핵심기술인 검출기 설계 및 제작 기술을 확보하여야만 이 분야의 시장을 선점할 수 있음을 인지하고 있다.
TPS 방사선 검출장치의 가장 중요한 검출기부분은 검출하고자 하는 방사선의 종류와 에너지에 따라 다양하며, 국내독자용 TPS 방사선 검출장치는 아직 국내의 연구기관이나 산업체에서 생산하지 않고 있다.
특히, α선, 베타선, 감마선 등 여러 방사선을 멀티로 검출할 수 있는 TPS 방사선 검출장치의 제작 기술 개발은 방사선 계측기 산업뿐만 아니라 원자력 발전소 등에 필수적 장비임에도 그 개발속도가 더딘 문제점이 있었다.
그리고, 측정시 방사선 투입 방향면으로 측정하기 때문에, 정확치 않고 가격이 비싸 경제적이지 않으며, 실시간 측정이 불가능하여 측정을 하는데 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 국내 독자기술로 조립하여 박스형상으로 슬림하게 밀폐 제작할 수 있고, 스마트제어박스부를 통해 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 발생되는 빛을 기준으로, 현장 분석한 후, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 생성시킬 수 있으며, 사용 후 핵연료감시, 원전 및 방사성폐기물 저장시설 주변의 환경방사선 측정, 방사선진단 시, 피폭선량 측정, 토양 및 수중방사선계측에도 널리 응용할 수가 있는 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기는
박스형상으로 형성되어, 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 검출기본체(10)와,
검출기본체의 상단표면에 도포되어, 씬 플라스틱 신틸레이터부가 검출기본체의 상단표면상에 형성되도록 접착시키는 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부(20)와,
검출기본체의 상단표면상에 위치되고, α선,β선, γ선 및 기타 방사능 물질과 반응하여 빛을 발생시키는 씬 플라스틱 신틸레이터부(30)와,
씬 플라스틱 신틸레이터부의 상단에 위치되어, 외부로부터 빛, 습기를 차단시키면서, 빛의 반사를 높이는 입사창역할을 수행하는 마일러-폴리에스테르 필름부(40)와,
마일러-폴리에스테르 필름부 상단에 위치되어, 먼지나 이물질이 마일러-폴리에스테르 필름부쪽으로 유입되는 것을 방지하면서, 외압의 충격을 흡수하여 각 기기의 위치가 뒤틀리는 것을 방지하는 메쉬 그리드(Mesh Grid)부(50)와,
광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부에 삽입지지되면서, 입사되는 빛을 증폭시키는 PMT부(60)와,
광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부 표면, 및 PMT부가 삽입되는 PMT 삽입홀면에 형성되어, 발생한 빛을 PMT부의 표면쪽으로 모아주는 광반사(Light Reflector)부(70)와,
검출기본체의 내부공간에 길이방향으로 형성되어, PMT부가 삽입되도록 안내시키면서 지지해주는 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부(80)와,
검출기본체의 정면, 후면, 양측면, 바닥면을 에워싸면서 형성되어, 빛을 차단시키는 블랙시트지부(90)와,
검출기본체 일측에 위치되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하면서, 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 발생되는 빛을 기준으로, 현장분석한 후, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 생성시켜, 현장분석데이터를 근거리의 스마트 디바이스, 또는 원격지의 방사선 관리서버 쪽으로 전송시키도록 제어하는 스마트제어박스부(100)로 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는
첫째, 국내 독자기술로 조립하여 박스형상으로 슬림하게 밀폐 제작할 수 있어, 외부로부터 빛, 습기를 차단시키면서, 빛의 반사를 기존에 비해 80% 향상시킬 수 있다.
둘째, 스마트제어박스부를 통해 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 발생되는 빛을 기준으로, 현장분석한 후, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 생성시킬 수 있어, 기존에 없던 실시간 방사선 현장계측시스템을 구축시킬 수 있다.
셋째, 선량률(Dose rate)에 대한 선형적 응답이 가능하며, 베타(beta) 입자(S r/ Y - 90)에 대한 절대효율을 52.42% 향상시킬 수 있다.
넷째, 온도, 압력 등으로부터 계측 독립성을 가지며, 흡수선량의 측정뿐만 아니라, 사용 후 핵연료감시, 원전 및 방사성폐기물 저장시설 주변의 환경방사선 측정, 방사선진단시, 피폭선량 측정, 토양 및 수중방사선계측에도 널리 응용할 수가 있어, 국내 독자기술을 바탕으로 한 TPS 방사선 검출시장을 활성화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기(1)의 구성요소를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기(1)의 구성요소를 도시한 분해사시도,
도 3은 본 발명에 따른 검출기본체가 직사각형 박스형상으로 슬림하게 형성되고, 외부면 일측에 스마트제어박스부가 형성되는 것을 도시한 일실시예도,
도 4는 본 발명에 따른 스마트제어박스부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 5는 본 발명에 따른 마이크로프로세서부(150)를 기준으로, 전원부(120), 근거리통신모듈(170), WiFi통신모듈(180)이 연결되어 구성된 것을 도시한 회로도,
도 6은 본 발명에 따른 마이크로프로세서부(150)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기가 원전입구 출입문에 설치되어, 출입자의 전신의 방사성오염을 측정하는 것을 도시한 일실시예도,
도 8은 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기가 출입구 일측에 설치되어, 출입자 손, 발, 옷의 방사성오염을 측정하는 것을 도시한 일실시예도,
도 9는 본 발명에 따른 선량알고리즘제어부에서 Cs-137 시료를 기준으로, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 형성시킨 일실시예도,
도 10은 본 발명에 따른 선량알고리즘제어부에서 Ba-133 시료를 기준으로, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 형성시킨 일실시예도.
도 2는 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기(1)의 구성요소를 도시한 분해사시도,
도 3은 본 발명에 따른 검출기본체가 직사각형 박스형상으로 슬림하게 형성되고, 외부면 일측에 스마트제어박스부가 형성되는 것을 도시한 일실시예도,
도 4는 본 발명에 따른 스마트제어박스부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 5는 본 발명에 따른 마이크로프로세서부(150)를 기준으로, 전원부(120), 근거리통신모듈(170), WiFi통신모듈(180)이 연결되어 구성된 것을 도시한 회로도,
도 6은 본 발명에 따른 마이크로프로세서부(150)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기가 원전입구 출입문에 설치되어, 출입자의 전신의 방사성오염을 측정하는 것을 도시한 일실시예도,
도 8은 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기가 출입구 일측에 설치되어, 출입자 손, 발, 옷의 방사성오염을 측정하는 것을 도시한 일실시예도,
도 9는 본 발명에 따른 선량알고리즘제어부에서 Cs-137 시료를 기준으로, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 형성시킨 일실시예도,
도 10은 본 발명에 따른 선량알고리즘제어부에서 Ba-133 시료를 기준으로, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 형성시킨 일실시예도.
먼저, 본 발명에서 설명되는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기에서 슬림형은 높이가 0.9cm~2cm로 형성되고, 사용목적과 용도에 따라 가로*세로가 5*10,10*20,30*40,50*60으로 다양한 크기로 형성된다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기(1)의 구성요소를 도시한 사시도에 관한 것이며, 도 2는 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기(1)의 구성요소를 도시한 분해사시도에 관한 것으로, 이는 검출기본체(10), 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부(20), 씬 플라스틱 신틸레이터부(30), 마일러-폴리에스테르 필름부(40), 메쉬 그리드(Mesh Grid)부(50), PMT부(60), 광반사(Light Reflector)부(70), 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부(80), 블랙시트지부(90), 스마트제어박스부(100)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 검출기본체(10)에 관해 설명한다.
상기 검출기본체(10)는 박스형상으로 형성되어, 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 역할을 한다.
이는 상단표면 상에 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부가 도포되어 형성되고, 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부 상단에 씬 플라스틱 신틸레이터부가 형성되며, 씬 플라스틱 신틸레이터부 상단에 마일러-폴리에스테르 필름부가 형성되고, 마일러-폴리에스테르 필름부 상단에 메쉬 그리드(Mesh Grid)부가 형성되며, 내부공간에 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부가 형성되고, 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부쪽으로 PMT부가 형성되고, 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부 표면, 및 PMT부가 삽입되는 PMT 삽입홀면에 광반사(Light Reflector)부가 형성되며, 정면, 후면, 양측면, 바닥면을 따라 블랙시트지부가 형성되며, 외부면 일측에 스마트제어박스부가 형성되어 구성된다.
상기 검출기본체(10)는 도 3에 도시한 바와 같이, 직사각형 박스형상으로 슬림하게 형성된다.
그리고, 외부면 일측에 스마트제어박스부가 형성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부(20)에 관해 설명한다.
상기 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부(20)는 검출기본체의 상단표면에 도포되어, 씬 플라스틱 신틸레이터부가 검출기본체의 상단표면상에 형성되도록 접착시키는 역할을 한다.
이는 무색의 시멘트 본드로서, 빛의 전달 능력이 뛰어나고, 그 자체로 PVT 혹은 Polystyrene과 동등한 효과를 내는 특성을 가진다.
다음으로, 본 발명에 따른 씬 플라스틱 신틸레이터부(30)에 관해 설명한다.
상기 씬 플라스틱 신틸레이터부(30)는 검출기본체의 상단표면상에 위치되고, α선,β선, γ선 및 기타 방사능 물질과 반응하여 빛을 발생시키는 역할을 한다.
이는 유기섬광체인 PPO(diphenyloxazole), p-terphenyl, stilbene의 유기섬광체를 유기용제에 녹인 후 중합과정을 통하여 사각용지형상으로 형성된다.
특히 베타선과 감마선이 동시에 존재하는 혼합장에서 감마선을 측정해야할 경우, crystal 섬광검출기나 고순도 반도체검출기보다 베타선에 대한 손상의 위험이 적고, 크기와 모양을 측정공간에 맞도록 쉽게 제작할 수 있는 장점이 있다.
유기섬광체의 주성분은 polyvinyltoluene으로 밀도는 1.032 g/cc이고 굴절률은 1.58인 특성을 가진다.
플라스틱 섬광체를 구성하는 물질이 저원자 번호로 이루어져 있기 때문에 광전효과는 거의 일어나지 않고 컴퓨턴(Compton) 산란에 의한 효과만 나타난다.
그리고 의료용 장비, 고 에너지측정, Photon Beam Monitor 등 다방면에 여러 가지 용도로 이용되고 있다.
씬 플라스틱 신틸레이터부는 테르페닐(Terphenyl)과 같은 형광물질을 폴리스티렌(Polystyrene) 속에 고용체로 넣고 성형시킨 것으로, 가공성이 좋아 여러가지의 크기와 모양으로 만들 수 있다는 장점이 있다.
얇은 것은 하전입자용으로, 큰 것은 우주선용이나 감마선용으로 사용되고 있으며, 발광 감쇠 시간이 짧다는 장점에 착안해 시간관계의 측정에 많이 사용된다.
광증배관을 사용해 높은 에너지의 빛(X선, 감마선)을 측정하기 위해 사용되는 검출기의 핵심부품으로, 광증배관에 부착하여 사용한다.
이를 통해 높은 에너지의 광자가 신틸레이터와 반응하여 가시광선 영역의 광자 다발로 바뀌며, 이를 광증배관이 측정하도록 구성된다.
2 ~ 4 나노초의 감쇠시간으로 비교적 높은 광출력과 상대적으로 매우 빠른신호를 나타내며, 동위원소 판별을 위한 CZT 반도체, GM tube 대체기술, 방사능 감시를 위한 방사능 검출기, PET, 대형 방사선 감시기에 응용된다.
고객의 응용에 맞춘 거의 원하는 모든 모양으로 형성될 수 있는 능력은 플라스틱 신틸레이터의 가장 큰 장점이다.
다음으로, 본 발명에 따른 마일러-폴리에스테르 필름부(40)에 관해 설명한다.
상기 마일러-폴리에스테르 필름부(40)는 씬 플라스틱 신틸레이터부의 상단에 위치되어, 외부로부터 빛, 습기를 차단시키면서, 빛의 반사를 높이는 입사창역할을 수행하는 역할을 한다.
이는 마일러 필름이 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 메쉬 그리드(Mesh Grid)부(50)에 관해 설명한다.
상기 메쉬 그리드(Mesh Grid)부(50)는 마일러-폴리에스테르 필름부 상단에 위치되어, 먼지나 이물질이 마일러-폴리에스테르 필름부쪽으로 유입되는 것을 방지하면서, 외압의 충격을 흡수하여 각 기기의 위치가 뒤틀리는 것을 방지하는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 PMT부(60)에 관해 설명한다.
상기 PMT(Photo Multiplier Tube)부(60)는 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부에 삽입지지되면서, 입사되는 빛을 증폭시키는 역할을 한다.
이는 자외선이나 가시광선을 그대로 빛으로 형성하여 내보내지는 못하고 전류로 변환시켜 출력된다.
이러한 특성을 이용하여 PMT(Photo Multiplier Tube)부는 주로 측광에 사용한다.
본 발명에서는 씬 플라스틱 신틸레이터부를 통해 발생되는 미세한 빛을 분석이 가능한 전류신호로 바꿔주도록 구성된다.
상기 PMT(Photo Multiplier Tube)부는 입사창, 광전음극(Photocathode), 다이노드(Dynode),애노드(Anode)가 진공으로 밀봉되어 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부안에 위치한다.
씬 플라스틱 신틸레이터부에서 PMT(Photo Multiplier Tube)부의 입사창으로 입사된 빛은 광전음극에 부딪치게 되고, 이때 광전자가 발생된다.
발생된 광전자는 고전압(600V~1,000V)에 연결된 다이노드에 충돌하면서 더 많은 전자를 발생시킨다.
이렇게 발생된 전자들은 뒤이어 위치한 다이노드들에 계속해서 충돌하면서 점차 증폭된다.
이렇게 증폭된 다수의 전자들은 애노드에 모인다.
애노드에 모인 전자들은 캐패시터를 거쳐 전류의 형태로 출력된다.
이러한 과정을 거치면서신틸레이터에서 발생된 빛은 전기적인 신호가 된다.
PMT(Photo Multiplier Tube)부의 후단 일측에는 전치 증폭기(Preamplifier)가 포함되어 구성된다.
PMT(Photo Multiplier Tube)부을 거쳐 나오는 전류는 세기가 매우 약하기 때문에 신호의 분석이 매우 어렵다.
때문에 전치 증폭기를 통해서 미약한 전하펄스를 전압펄스로 증폭시켜 줌으로써 분석이 어렵던 신호는 전치 증폭기(Preamplifier)를 통해 분석이 가능한 신호로 출력된다.
다음으로, 본 발명에 따른 광반사(Light Reflector)부(70)에 관해 설명한다.
상기 광반사(Light Reflector)부(70)는 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부 표면, 및 PMT부가 삽입되는 PMT 삽입홀면에 형성되어, 발생한 빛을 PMT부의 표면쪽으로 모아주는 역할을 한다.
이는 실버 리플렉터 시트지로 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부(80)에 관해 설명한다.
상기 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부(80)는 검출기본체의 내부공간에 길이방향으로 형성되어, PMT부가 삽입되도록 안내시키면서 지지해주는 역할을 한다.
이는 길이방향의 원통형관 구조로 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 블랙시트지부(90)에 관해 설명한다.
상기 블랙시트지부(90)는 검출기본체의 정면, 후면, 양측면, 바닥면을 에워싸면서 형성되어, 빛을 차단시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 스마트제어박스부(100)에 관해 설명한다.
상기 스마트제어박스부(100)는 검출기본체 일측에 위치되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하면서, 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 발생되는 빛을 기준으로, 현장분석한 후, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 생성시켜, 현장분석데이터를 근거리의 스마트 디바이스, 또는 원격지의 방사선관리서버쪽으로 전송시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 도 4에 도시한 바와 같이, 박스몸체(110), 전원부(120), 입력부(130), 메모리부(140), 마이크로프로세서부(150), 출력부(160), 근거리통신모듈(170), WiFi통신모듈(180)로 구성된다.
첫째, 본 발명에 따른 박스몸체(110)에 관해 설명한다.
상기 박스몸체(110)는 박스형상으로 형성되어, 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 역할을 한다.
이는 내부공간 일측에 전원부가 형성되고, 전원부 일측에 입력부가 형성되며, 입력부 일측에 메모리부가 형성되고, 메모리부 일측에 마이크로프로세서부가 형성되며, 마이크로프로세서부 일측에 출력부가 형성되고, 출력부 일측에 근거리통신모듈이 형성되며, 출력부 타측에 WiFi통신모듈이 형성되어 구성된다.
즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 마이크로프로세서부(150)를 기준으로, 전원부(120), 근거리통신모듈(170), WiFi통신모듈(180)이 연결되어 구성된다.
둘째, 본 발명에 따른 전원부(120)에 관해 설명한다.
상기 전원부(120)는 박스몸체 일측에 위치되어, PMT부, 마이크로프로세서부, 근거리통신모듈, WiFi통신모듈에 전원을 공급시키는 역할을 한다.
셋째, 본 발명에 따른 입력부(130)에 관해 설명한다.
상기 입력부(130)는 박스몸체의 내부공간 일측에 위치되어, 빛검출신호를 입력받아 마이크로프로세서부의 연산부로 전달시키는 역할을 한다.
넷째, 본 발명에 따른 메모리부(140)에 관해 설명한다.
상기 메모리부(140)는 입력부 일측에 위치되어, 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기의 전체적인 구동에 관한 프로그램 및 데이터를 저장시키는 역할을 한다.
다섯째, 본 발명에 따른 마이크로프로세서부(150)에 관해 설명한다.
상기 마이크로프로세서부(150)는 메모리부에 저장되어 있는 프로그램을 해독하여 연산시켜 출력부쪽으로 출력신호를 순차적으로 출력시키고, 씬 플라스틱 신틸레이터부쪽으로 전기를 가해 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 빛이 발생되어, PMP부에서 빛을 증폭시키면, 이를 전류로 변환시켜 현장분석시킨 후, 현장분석데이터를 근거리의 스마트 디바이스, 또는 원격지의 방사선관리서버쪽으로 전송시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 도 6에 도시한 바와 같이, 일측에 증폭(Amplifier)부(151), 펄스형성(Pulse Shape)부(152), 피크유지부(Peak Holder)부(153), 펄스 검출부(Pulse Detector)(154), ADC 카운터부(155), 선량알고리즘제어부(156), 데이터전송제어부(157)가 포함되어 구성된다.
[증폭(Amplifier)부(151)]
상기 증폭(Amplifier)부(151)는 PMT부에서 증폭된 빛을 검출하여, 아날로그 신호로 증폭시키는 역할을 한다.
이는 PMT부에서 증폭된 빛을 검출하여 발생된 신호는 크기가 작기 때문에 가우시안(Gaussian) 신호로 변환이 어려울 뿐만 아니라 펄스의 발생여부를 판단하기가 어렵다.
그렇기 때문에 증폭기(Amplifier) 회로를 구성하여 신호의 크기를 증폭시켜야 한다.
방사성물질에서 발생하는 감마선은 일정한 주기를 가지고 발생되는 것이 아니라 확률적으로 발생한다.
때문에 적은 양의 방사성물질이 주변에 있는 경우는 문제가 되지 않지만 많은 양의 방사성물질이 가까이 있는 경우는 감마선이 많아 지기 때문에 증폭기의 속도를 잘 고려해야 한다.
신호의 첨두값(peak)를 정확하게 전달하는 것이 가장 중요하기 때문에 빠르게 다음 신호가 들어와서 증폭을 제대로 하지 못하는 상황이 발생해서는 안 된다.
이러한 특성들을 고려하여 선정하여 구성된다.
본 발명에 따른 증폭부는 1.5GHz의 밴드폭(Band width)와 350V/us의 슬루율(Slew rate) 특성을 가진다.
[펄스형성(Pulse Shape)부(152)]
상기 펄스형성(Pulse Shape)부(152)는 증폭부에서 증폭된 아날로그 신호를 발생된 신호를 가우시안(Gaussian) 신호로 변환시켜주는 역할을 한다.
이는 아날로그 회로 중 가장 중요한 부분이라 할 수 있다.
센서에서 출력되는 신호만 가지고는 정상적으로 핵종 분석이 불가능하다.
하나의 펄스가 끝나기 전에 다른 펄스가 발생하면서 Pile-up 현상이 발생하기 때문이다.
Pile-up 현상이란 발생된 펄스가 사라지기 전에 다음 펄스가 발생했을 때 중첩되면서 신호가 변질되는 현상을 말한다.
펄스의 첨두값(peak)까지는 빠르게 변하지만 다시 돌아오는 시간이 길기 때문에 뒤이어 들어오는 신호와 겹치는 Pile-up 현상이 나타나는 것을 볼 수 있다.
상기 펄스형성(Pulse Shape)부는 센서에서 출력되는 신호를 가우시안(Gaussian) 신호로 만들어 보다 빠르게 측정할 수 있을 뿐만 아니라 외부의 노이즈를 제거해주는 역할을 한다.
상기 펄스형성(Pulse Shape)부는 저항과 캐패시터의 크기를 변경해 시정수를 조절하여 신호를 결정한다. 시정수를 일정하게 유지하고 RC회로만 더 늘려 신호를 비교해 보면 전체적인 peak는 줄어들면서 신호 유지 시간이 길어지게 된다. 하지만 RC회로를 추가하고 시정수를 더 줄임으로써 더 균형 잡힌 가우시안(Gaussian) 형태의 신호로 변환할 수 있게 된다.
[피크유지부(Peak Hold)부(153)]
상기 피크유지(Peak Hold)부(153)는 펄스형성부를 통해 변환된 가우시안(Gaussian) 신호의 첨두(Peak)값을 ADC부가 읽을 때까지 신호의 첨두(Peak) 값을 유지시켜주는 역할을 한다.
이는 펄스형성부(Pulse Shape)를 거친 후에 나오는 신호가 Peak holder를 지나면 첨두(peak)값 만큼 올라간 상태에서 방전하지 않도록 신호를 유지시켜주는 것이다.
그렇기 때문에 첨두값이 생성된 후 실제 첨두값과 가까운 값을 얻을 수 있게 되는 것이다.
이때 유지시켜주기 위해 가장 중요한 것이 캐패시터의 크기이다.
캐패시터의 크기에 따라서 전체적인 특성이 변하게 된다.
용량이 큰 캐패시터의 경우 빠른 신호에 즉각 반응하지 못할 뿐만 아니라 입력된 신호의 첨두값보다 작은 값이 유지된다.
반대로 크기가 작은 캐패시터가 사용될 경우에는 첨두값을 유지하지 못하고 baseline으로 빠르게 떨어지기 때문에 ADC가 정확한 값을 읽을 수가 없게 된다.
용량을 정하는 기준은 고 에너지의 빠른 신호들의 첨두값을 모두 잡아낼 수 있는 범위 내에서 가장 큰 용량을 사용한다.
이렇게 정했을 때 첨두값이 변하지 않고 오래 유지시킬 수 있다.
[펄스 검출부(Pulse Detector)(154)]
상기 펄스 검출부(Pulse Detector)(154)는 ADC부쪽으로 신호가 발생하여 첨두값을 유지하고 있다는 것을 신호를 통해 전달해 주는 역할을 한다.
이는 ADC를 활성화시킨다.
실제 신호의 발생여부를 판단하는 기준은 자연 방사선보다 높은 방사선이 들어왔을 때를 기준으로 한다.
그렇기 때문에 자연 방사선 값을 기준으로 그 이상의 전압이 들어오게 되면 높은 레벨의 전압을 출력하도록 하는 비교기이다.
[ADC 카운터부(155)]
상기 ADC 카운터부(155)는 펄스 검출부를 통해 처리된 아날로그 신호를 디지털 변환시켜, 그 크기에 따른 빈도를 연산시키는 역할을 한다.
이는 펄스검출부에서 나오는 신호의 rising edge를 기준으로 인터럽트(Interrupt)가 발생되고 ISR(Interrupt Service Routine)에서 ADC의 data를 가져온다.
그리고 data를 가져온 후에 피크유지부를 초기화 시켜주기 위한 신호를 짧은 시간 동안 발생시킨다.
이러한 일련의 과정을 장치 드라이버 프로그램(device driver program)을 통해서 좀 더 빠르게 처리하기 위해 함수 한 번 실행 시에 다수의 data를 배열에 저장해서 가져올 수 있도록 구성한다.
[선량알고리즘제어부(156)]
상기 선량알고리즘제어부(156)는 측정된 데이터의 크기를 방사선 에너지 단위로 변환시킨 후, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 형성시키는 역할을 한다.
이는 방사선 스펙트럼 구현 후 갑자기 빈도수가 증가한 에너지를 통해 방사선의 핵종과 세기를 확인할 수 있도록 구성된다.
이러한 일련의 과정은 감마선 측정값이 누적될 만큼의 충분한 시간이 필요하기 때문에 2초~8초를 기준으로 반복되도록 구성된다.
상기 방사선 스펙트럼은 방사선의 분포를 에너지로 나타낸 것으로 방사선 스펙트럼을 측정하는 펄스파고분석알고리즘을 이용한다.
따라서, 본 발명에 따른 선량알고리즘제어부는 펄스파고분석알고리즘을 이용한다.
상기 펄스파고분석알고리즘은 차례로 입력되는 신호를 파고에 따라 선별하여 방사선의 파고분포를 기록하여 방사선 스펙트럼을 측정할 수 있는 알고리즘이다.
즉, 스펙트럼의 가로축인 X축은 에너지의 크기를 나타내고, 이는 방사선의 에너지에 비례한다.
스펙트럼의 세로축인 Y축은 해당 에너지 크기에 맞는 펄스가 일정시간 동안 얼마나 발생했는지에 관한 빈도수를 나타낸다.
즉, 본 발명에 따른 선량알고리즘제어부는 일예로, 샘플 소스 중에 결과가 뚜렷하게 나타날 만큼 충분한 세기의 감마선을 방출하는 것으로서, Cs-137, Ba-133 시료를 통해, 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 형성시킨다.
도 9는 본 발명에 따른 선량알고리즘제어부에서 Cs-137 시료를 기준으로, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 형성시킨 일실시예도에 관한 것이고, 도 10은 본 발명에 따른 선량알고리즘제어부에서 Ba-133 시료를 기준으로, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 형성시킨 일실시예도에 관한 것이다.
각 샘플이 가진 에너지의 크기에 맞추어 감마선 센서로 계속해서 출력되기 때문에 빈도수를 나타내는 스펙트럼에서는 특정위치의 값만 크게 나오는 것을 확인할 수 있다.
실험 결과를 보면 해당 에너지에 맞추어 빈도수가 크게 나오는 것을 확인할 수 있다.
[데이터전송제어부(157)]
상기 데이터전송제어부(157)는 선량알고리즘제어부를 통해 형성된 현장분석데이터를 근거리의 스마트 디바이스, 또는 원격지의 방사선관리서버쪽으로 전송시키도록 제어하는 역할을 한다.
이하, 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.
먼저, 검출기본체에 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부, 씬 플라스틱 신틸레이터부, 마일러-폴리에스테르 필름부, 메쉬 그리드(Mesh Grid)부, PMT부, 광반사(Light Reflector)부, 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부, 블랙시트지부, 스마트제어박스부가 형성된다.
즉, 검출기본체의 상단표면 상에 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부가 도포되어 형성된다.
이어서, 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부 상단에 씬 플라스틱 신틸레이터부가 형성된다.
이어서, 씬 플라스틱 신틸레이터부 상단에 마일러-폴리에스테르 필름부가 형성된다.
이어서, 마일러-폴리에스테르 필름부 상단에 메쉬 그리드(Mesh Grid)부가 형성된다.
이어서, 검출기본체의 내부공간에 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부가 형성된다.
이어서, 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부쪽으로 PMT부가 형성된다.
이어서, 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부 표면, 및 PMT부가 삽입되는 PMT 삽입홀면에 광반사(Light Reflector)부가 형성된다.
이어서, 정면, 후면, 양측면, 바닥면을 따라 블랙시트지부가 형성된다.
이어서, 검출기본체의 외부면 일측에 스마트제어박스부가 형성된다.
다음으로, 스마트제어박스부의 마이크로프로세서부의 제어신호에 따라 전원부가 구동되어, 씬 플라스틱 신틸레이터부쪽으로 전기를 인가시킨다.
다음으로, 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 α선, β선, γ선 및 기타 방사성물질과 반응하여 빛을 발생시킨다.
다음으로, PMT부를 통해 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 발생된 빛을 증폭시킨다.
다음으로, 마이크로프로세서부에서 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 발생되는 빛을 기준으로, 현장분석한 후, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 생성시킨다.
끝으로, 마이크로프로세서부에서 현장분석데이터를 근거리의 스마트 디바이스, 또는 원격지의 방사선관리서버쪽으로 전송시킨다.
흡수선량의 측정뿐만 아니라, 사용후 핵연료감시, 원전 및 방사성폐기물 저장시설 주변의 환경방사선 측정, 그리고, 방사선진단 시 피폭선량을 측정할 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기가 원전입구 출입문에 설치되어, 출입자의 전신의 방사성오염을 측정하는 것을 도시한 일실시예도에 관한 것이고, 도 8은 본 발명에 따른 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기가 출입구 일측에 설치되어, 출입자 손, 발, 옷의 방사성오염을 측정하는 것을 도시한 일실시예도에 관한 것이다.
1 : 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기 10 : 검출기본체
20 : 광학 시멘트 본드부 30 : 씬 플라스틱 신틸레이터부
40 : 마일러-폴리에스테르 필름부 50 : 메쉬 그리드(Mesh Grid)부
60 : PMT부 70 : 광반사경부
80 : 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부 90 : 블랙시트지부
100 : 스마트제어박스부
20 : 광학 시멘트 본드부 30 : 씬 플라스틱 신틸레이터부
40 : 마일러-폴리에스테르 필름부 50 : 메쉬 그리드(Mesh Grid)부
60 : PMT부 70 : 광반사경부
80 : 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부 90 : 블랙시트지부
100 : 스마트제어박스부
Claims (7)
- 박스형상으로 형성되어, 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 검출기본체(10)와,
검출기본체의 상단표면에 도포되어, 씬 플라스틱 신틸레이터부가 검출기본체의 상단표면상에 형성되도록 접착시키는 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부(20)와,
검출기본체의 상단표면상에 위치되고, α선,β선, γ선 및 기타 방사능 물질과 반응하여 빛을 발생시키는 씬 플라스틱 신틸레이터부(30)와,
씬 플라스틱 신틸레이터부의 상단에 위치되어, 외부로부터 빛, 습기를 차단시키면서, 빛의 반사를 높이는 입사창 역할을 수행하는 마일러-폴리에스테르 필름부(40)와,
마일러-폴리에스테르 필름부 상단에 위치되어, 먼지나 이물질이 마일러-폴리에스테르 필름부쪽으로 유입되는 것을 방지하면서, 외압의 충격을 흡수하여 각 기기의 위치가 뒤틀리는 것을 방지하는 메쉬 그리드(Mesh Grid)부(50)와,
광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부에 삽입지지되면서, 입사되는 빛을 증폭시키는 PMT부(60)와,
광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부 표면, 및 PMT부가 삽입되는 PMT 삽입홀면에 형성되어, 발생한 빛을 PMT부의 표면쪽으로 모아주는 광반사(Light Reflector)부(70)와,
검출기본체의 내부공간에 길이방향으로 형성되어, PMT부가 삽입되도록 안내시키면서 지지해주는 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부(80)와,
검출기본체의 정면, 후면, 양측면, 바닥면을 에워싸면서 형성되어, 빛을 차단시키는 블랙시트지부(90)와,
검출기본체 일측에 위치되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하면서, 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 발생되는 빛을 기준으로, 현장분석한 후, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 생성시켜, 현장분석데이터를 근거리의 스마트 디바이스, 또는 원격지의 방사선관리서버쪽으로 전송시키도록 제어하는 스마트제어박스부(100)로 구성되는 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기에 있어서,
상기 검출기본체(10)는
상단표면 상에 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부가 도포되어 형성되고, 광학 시멘트 본드(Optical Cement Bond)부 상단에 씬 플라스틱 신틸레이터부가 형성되며, 씬 플라스틱 신틸레이터부 상단에 마일러-폴리에스테르 필름부가 형성되고, 마일러-폴리에스테르 필름부 상단에 메쉬 그리드(Mesh Grid)부가 형성되며, 내부공간에 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부가 형성되고, 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부쪽으로 PMT부가 형성되고, 광증배관(Photo Multiplier Tube, PMT) 가이드부 표면, 및 PMT부가 삽입되는 PMT 삽입홀면에 광반사(Light Reflector)부가 형성되며, 정면, 후면, 양측면, 바닥면을 따라 블랙시트지부가 형성되며, 외부면 일측에 스마트제어박스부가 형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기.
- 제1항에 있어서, 상기 씬 플라스틱 신틸레이터부(30)는
유기섬광체인 PPO(diphenyloxazole), p-terphenyl, stilbene의 유기섬광체를 유기용제에 녹인 후 중합과정을 통하여 사각용지형상으로 형성되고, 유기섬광체는 polyvinyltoluene 성분을 포함하고, 밀도는 1.032 g/cc이고, 굴절률은 1.58인 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기.
- 제1항에 있어서, 상기 스마트제어박스부(100)는
박스형상으로 형성되어, 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 박스몸체(110)와,
박스몸체 일측에 위치되어, PMT부, 마이크로프로세서부, 근거리통신모듈, WiFi통신모듈에 전원을 공급시키는 전원부(120)와,
박스몸체의 내부공간 일측에 위치되어, 빛검출신호를 입력받아 마이크로프로세서부의 연산부로 전달시키는 입력부(130)와,
입력부 일측에 위치되어, 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기의 전체적인 구동에 관한 프로그램 및 데이터를 저장시키는 메모리부(140)와,
메모리부에 저장되어 있는 프로그램을 해독하여 연산시켜 출력부쪽으로 출력신호를 순차적으로 출력시키고, 씬 플라스틱 신틸레이터부쪽으로 전기를 가해 씬 플라스틱 신틸레이터부에서 빛이 발생되어, PMP부에서 빛을 증폭시키면, 이를 전류로 변환시켜 현장분석시킨 후, 현장분석데이터를 근거리의 스마트 디바이스, 또는 원격지의 방사선관리서버쪽으로 전송시키도록 제어하는 마이크로프로세서부(150)와,
전원부, 씬 플라스틱 신틸레이터부, 근거리통신모듈, WiFi통신모듈쪽으로 순차적으로 출력신호를 출력시키도록 제어하는 출력부(160)와,
출력부 일측에 위치되어, 마이크로프로세서부의 제어신호에 따라 구동되어, 본체 주위의 근거리에 위치한 스마트 디바이스쪽으로 현장분석데이터를 송신시키는 근거리통신모듈(170)과,
근거리통신모듈 일측에 위치되어, 원격지에 위치한 방사선관리서버쪽으로 현장분석데이터를 송신시키는 WiFi통신모듈(180)로 구성되는 것을 특징으로 하는 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기.
- 제3항에 있어서, 상기 마이크로프로세서부(150)는
PMT부에서 증폭된 빛을 센싱하여, 아날로그 신호로 증폭시키는 증폭(Amplifier)부(151)와,
증폭부에서 증폭된 아날로그 신호를 발생된 신호를 가우시안 신호로 변환시켜주는 펄스형성(Pulse Shape)부(152)와,
펄스형성부(Pulse Shape)부를 통해 변환된 가우시안 신호의 첨두값(Peak)을 ADC부가 읽을 때까지 신호의 첨두값을 유지시켜주는 피크유지부(Peak Holder)(153)와,
ADC부쪽으로 신호가 발생하여 첨두(peak)값를 유지하고 있다는 것을 신호를 통해 전달해 주는 펄스 검출부(Pulse Detector)(154)와,
펄스 검출부를 통해 처리된 아날로그 신호를 디지털 변환시켜, 그 크기에 따른 빈도를 연산시키는 ADC 카운터(Counter)부(155)와,
측정된 데이터의 크기를 방사선 에너지 단위로 변환시킨 후, X축을 방사선의 에너지로 하고, Y축을 빈도수로 하여 방사선 스펙트럼으로 이루어진 현장분석데이터를 형성시키는 선량알고리즘제어부(156)와,
선량알고리즘제어부를 통해 형성된 현장분석데이터를 근거리의 스마트 디바이스, 또는 원격지의 방사선관리서버쪽으로 전송시키도록 제어하는 데이터전송제어부(157)로 구성되는 것을 특징으로 하는 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기.
- 제4항에 있어서, 상기 펄스형성(Pulse Shape)부(152)는
저항과 캐패시터의 크기를 변경해 시정수를 조절하여 신호를 결정하는 것을 특징으로 하는 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기.
- 삭제
- 제4항에 있어서, 상기 선량알고리즘제어부(156)는
차례로 입력되는 신호를 파고에 따라 선별하여 방사선의 파고분포를 기록하여 방사선 스펙트럼을 측정할 수 있는 펄스파고분석알고리즘으로 구성되는 것을 특징으로 하는 알파·베타·감마 방사선 검출기능을 갖는 스마트 슬림형 플라스틱 섬광계수기.
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