KR101924482B1 - 스파이럴 그리드 전극을 구비하는 방사선 검출기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 5개의 리드아웃 전극만을 이용하여 방사선이 반응한 3차원 위치정보를 획득할 수 있는 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기를 제안한다. 상기 본 발명에 따른 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기는, 방사선신호 검출부, 방사선신호 증폭부, 방사선신호 비교부 및 방사선신호 처리부를 구비한다.

Description

스파이럴 그리드 전극을 구비하는 방사선 검출기{Radiation detection device including spiral grid electrode}
본 발명은 방사선 검출기에 관한 것으로, 특히, 화합물반도체 기판에 설치된 캐소드전극 및 나선형으로 배열되어 있는 메인신호 수집 아노드 스트링에 설치된 4개의 전극으로부터 방사선에 의해 유도되는 유도 전하의 양에 대응하는 하나의 캐소드 방사선신호 및 4개의 아노드 방사선신호를 이용하여 방사선 신호 검출부의 3차원 방사선 반응위치에 대한 좌표를 결정할 수 있는 방사선 검출센서에 관한 것이다.
방사선(radiation)이 화합물 반도체(CdZnTe, CdTe, TlBr 등)와 반응하게 되면, 화합물반도체에 입사되는 방사선 에너지를 화합물반도체의 이온화 에너지(ionization energy)로 나눈 만큼의 전자(electron)와 정공(hole) 쌍(ion-pair 또는 electron-hole pair, 이하 전자-정공 쌍)이 생성된다. 전자-정공 쌍은 화합물반도체를 이용한 방사선센서의 2개의 전극 사이에 가해진 전장(electric field)을 따라 전자와 정공이 반대방향으로 이동한 거리만큼 유도 전하가 2개의 전극에 형성되고, 이 둘의 유도 전하 합이 방사선 에너지와 비례한다. 이것을 표현한 것이 쇼클리-라모 이론 (Shockley-Ramo theorem)이라고 한다.
물질의 특성상 전자의 이동속도(mobility)는 정공의 이동속도에 비해 빠르다. 따라서, 화합물반도체를 이용한 방사선 검출기로 방사선을 검출할 때, 특히 화합물반도체를 이용한 방사선 검출기의 두께가 5㎜ 이상 두꺼운 경우엔, 방사선 검출기에서 일정시간 동안 수집하는 정공의 양은 전자의 양에 비해 적게 된다. 다시 말하면, 이동이 빠른 전자가 양의 전극(positive electrode)에 도달하는 동안 이동이 상대적으로 느린 정공은 음의 전극(negative electrode)에 도달하지 못한다. 이는 전자에 비해 상대적으로 느리게 이동하는 정공이 이동 도중 재결합(recombination)이나 물질의 트랩(trap)에 포획되기 때문이다.
따라서, 양의 전극으로 도달한 전자로부터 발생하는 신호의 양(유도 전자의 양)과 음의 전극으로 도달한 정공으로부터 발생하는 신호의 양(유도 정공의 양)을 합쳐도 방사선의 입사에너지보다 작게되는 문제가 발생한다.
특히, 전극이 평면구조를 가지는 방사선센서의 두께가 5㎜ 이상 두꺼운 경우에는, 방사선검출신호에 기여하는 바가 전자는 100%가 되지만 정공은 100%가 되지 못하고 반응한 깊이에 따라 신호의 크기가 결정되기 때문에 스펙트럼을 획득할 수가 없다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 전자장을 왜곡시켜 전자가 기여하는 방사선검출신호만을 스펙트럼화하는 SPCS(Single Polarity Charge Sensing) 기법에 제안되었는데, 이를 이용한 방법으로는 픽셀형, CPG(Co-Planar Grid)형 그리고 FG(Frisch-Grid)형의 전극 구성방법이 개발되었다.
이들 중 픽셀형은 방사선과 방사선센서의 반응위치를 3차원적으로 획득할 수 있으나, 이를 위해서는 다수의 픽셀을 이용해야 하기 때문에 신호처리가 복잡해진다는 문제가 있다. CPG와 FG는 깊이 정보는 구할 수 있으나 평면상의 픽셀의 개수에 대한 정보를 얻을 수 없다는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 5개의 리드아웃 전극만을 이용하여 방사선이 반응한 3차원 위치정보를 획득할 수 있는 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기를 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기는, 방사선신호 검출부, 방사선신호 증폭부, 방사선신호 비교부 및 방사선신호 처리부를 구비한다.
상기 방사선신호 검출부는 5개의 전극을 이용하여 방사선에 의해 유도되는 유도 전하의 양에 대응하는 4개의 아노드 방사선신호 및 하나의 캐소드 방사선신호를 검출한다. 상기 방사선신호 증폭부는 상기 4개의 아노드 방사선신호를 증폭하여 4개의 증폭 아노드 방사선신호 및 상기 캐소드 방사선신호를 증폭하여 증폭 캐소드 방사선신호를 생성한다. 상기 방사선신호 비교부는 상기 4개의 증폭 아노드 방사선신호 중 각각 2개를 비교하여 제1비교신호 및 제2비교신호를 생성한다. 상기 방사선신호 처리부는 상기 제1비교신호, 상기 제2비교신호 및 상기 캐소드 방사선신호를 이용하여 방사선반응 XY좌표와 방사선반응 Z좌표를 결정한다.
본 발명에 따른 방사선 검출기는 화합물반도체 기판에 설치된 캐소드전극 및 나선형으로 배열되어 있는 메인신호 수집 아노드 스트링의 4개의 전극으로부터 검출한 방사선에 의해 유도되는 유도 전하의 양에 대응하는 4개의 아노드 방사선신호 및 하나의 캐소드 방사선신호를 이용하여 방사선신호 검출부의 3차원 방사선 반응위치에 대한 좌표를 결정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 방사선 검출기를 구성하는 방사선신호 검출부 및 방사선신호 증폭부의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 방사선 검출기를 구성하는 방사선신호 비교부의 구성을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기의 구성을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기(이하 방사선 검출기)는 방사선신호 검출부(110), 방사선신호 증폭부(120), 방사선신호 비교부(130) 및 방사선신호 처리부(140)를 포함한다.
방사선신호 검출부(110)는 5개의 전극(미도시)으로 방사선에 의해 유도되는 유도 전하의 양에 대응하는 4개의 아노드 방사선신호(SCA, SCB, SNCA, SNCB) 및 하나의 캐소드 방사선신호(SC)를 검출한다. 방사선신호 증폭부(120)는 4개의 아노드 방사선신호(SCA, SCB, SNCA, SNCB)를 증폭하여 4개의 증폭 아노드 방사선신호(ASCA, ASCB, ASNCA, ASNCB) 및 캐소드 방사선신호를 증폭하여 증폭 캐소드 방사선신호(ASC)를 생성한다. 방사선신호 비교부(130)는 4개의 증폭 아노드 방사선신호(ASCA, ASCB, ASNCA, ASNCB) 중 각각 2개를 비교하여 제1비교신호(SDA) 및 제2비교신호(SDB)를 생성한다. 방사선신호 처리부(140)는 제1비교신호(SDA), 제2비교신호(SDB) 및 증폭 캐소드 방사선신호(ASC)를 이용하여 방사선반응 XY좌표와 방사선반응 Z좌표를 결정한다.
여기서 4개의 아노드 방사선신호(SCA, SCB, SNCA, SNCB)는 서로 분리된 2개의 스트링(미도시)의 양 단자로부터 각각 측정한 것이고, 서로 분리된 2개의 스트링은 나선형으로 배열되어 있으며, 하나의 스트링의 사이에 다른 하나의 스트링이 배열되어 있는데, 이에 대해서는 도 2를 참조하면 이해할 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 방사선 검출기를 구성하는 방사선신호 검출부 및 방사선신호 증폭부의 구성을 나타낸다.
도 2a는 방사선신호 검출부의 평면도이고, 도 2b는 방사선신호 검출부의 측면도 및 방사선신호 증폭부의 구성을 각각 나타낸다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 방사선신호 검출부(110)는 화합물반도체 기판(210), 캐소드전극(220), 메인신호 수집 아노드 스트링(230), 서브신호 수집 아노드 스트링(240) 및 가드링(250)을 구비한다.
화합물 반도체 기판(210)은 화합물인 CdZnTe, CdTe, CdMnTe, TlB, PbI2 및 InI 등의 II-VI족 화합물 반도체 중 하나이다.
캐스드전극(220)은 화합물반도체 기판(210)의 일면에 형성되어 캐소드 방사선신호(SC)를 생성한다. 메인신호 수집 아노드 스트링(230)은 화합물반도체 기판(210)의 반대 일면에 나선형으로 배열되어 제1메인 아노드 방사선신호(SCA) 및 제2메인 아노드 방사선신호(SCB)를 생성한다.
서브신호 수집 아노드 스트링(240)은 화합물반도체 기판(210)의 반대 일면에 나선형으로 배열된 메인신호 수집 아노드 스트링(230)의 사이에 일정한 간격을 가지고 나선형으로 배열되어, 제1서브 아노드 방사선신호(SNCA) 및 제2서브 아노드 방사선신호(SNCB)를 생성한다.
가드링(250)은 화합물반도체 기판(210)의 반대 일면의 가장자리에 링 형태로 구현되어 메인신호 수집 아노드 스트링(230) 및 서브신호 수집 아노드 스트링(240)을 감싼다.
도 2b를 참조하면, 방사선신호 증폭부(120)는 캐소드 신호증폭기(121), 제1메인 아노드 신호증폭기(122), 제2메인 아노드 신호증폭기(123), 제1서브 아노드 신호증폭기(124) 및 제2서브 아노드 신호증폭기(125)를 포함한다.
캐소드 신호증폭기(121)는 캐소드 방사선신호(SC)를 증폭하여 증폭 캐소드 방사선신호(ASC)를 생성한다.
제1메인 아노드 신호증폭기(122)는 제1메인 아노드 방사선신호(SCA)를 증폭하여 증폭 제1메인 아노드 방사선신호(ASCA)를 생성한다. 제2메인 아노드 신호증폭기(123)는 제2메인 아노드 방사선신호(SCB)를 증폭하여 증폭 제2메인 아노드 방사선신호를 생성(ASCB)한다.
제1서브 아노드 신호증폭기(124)는 제1서브 아노드 방사선신호(SNCA)를 증폭하여 증폭 제1서브 아노드 방사선신호(ASNCA)를 생성한다. 제2서브 아노드 신호증폭기(125)는 제2서브 아노드 방사선신호(SNCB)를 증폭하여 증폭 제2서브 아노드 방사선신호를 생성(ASNCB)한다.
여기서, 메인신호 수집 아노드의 일단(CA) 및 서브신호 수집 아노드의 일단(NCA)은 화합물반도체 기판(210)의 중심부에 위치하고, 메인신호 수집 아노드의 반대 단(CB) 및 서브신호 수집 아노드의 반대 단(NCB)은 화합물반도체 기판(210)의 가장자리에 위치하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 방사선 검출기를 구성하는 방사선신호 비교부의 구성을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 방사선신호 비교부(130)는 제1비교기(131) 및 제2비교기(132)를 구비한다.
제1비교기(131)는 증폭 제1메인 아노드 방사선신호(ASCA) 및 증폭 제1서브 아노드 방사선신호(ASNCA)의 크기를 비교하여 제1비교신호(SDA)를 생성한다.
제2비교기(132)는 증폭 제2메인 아노드 방사선신호(ASCB) 및 증폭 제2서브 아노드 방사선신호(ASNCB)의 크기를 비교하여 제2비교신호(SDB)를 생성한다.
수학식 1은 본 발명에 따른 방사선 검출센서를 구성하는 방사선신호 처리부에서 방사선반응 XY좌표와 방사선반응 Z좌표를 결정하는데 사용하는 수식이다.
Figure 112018052336923-pat00001
여기서 SXY는 방사선반응 XY좌표이고, SDA는 제1비교신호이며, SDB는 제2비교신호이다.
Figure 112018052336923-pat00007

여기서 SZ는 방사선반응 Z좌표이며, SDA는 제1비교신호이고, SDB는 제2비교신호이며, ASC 증폭 캐소드 방사선신호이다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
110: 방사선신호 검출부
120: 방사선신호 증폭부
130: 방사선신호 비교부
140: 방사선신호 처리부

Claims (6)

  1. 화합물 반도체 기판과, 상기 화합물반도체 기판의 일면에 형성되어 캐소드 방사선신호를 생성하는 캐소드전극과, 상기 화합물반도체 기판의 반대 일면에 나선형으로 배열되어 제1메인 아노드 방사선 신호와 제2메인 아노드 방사선신호를 생성하는 메인신호 수집 아노드 스트링과, 상기 화합물반도체 기판 반대 일면의 메인신호 수집 아노드 스트링의 사이에 일정한 간격을 갖도록 나선형으로 배열되어 제1서브 아노드 방사선신호와 제2서브 아노드 방사선신호를 생성하는 서브신호 수집 아노드 스트링으로 구성되어, 5개의 전극을 이용하여 방사선에 의해 유도되는 유도 전하의 양에 대응하는 4개의 아노드 방사선신호와 하나의 캐소드 방사선신호를 검출하는 방사선신호 검출부와;
    상기 4개의 아노드 방사선신호를 증폭하여 4개의 증폭 아노드 방사선신호를 생성하고, 상기 캐소드 방사선신호를 증폭하여 증폭 캐소드 방사선신호를 생성하는 방사선신호 증폭부와;
    상기 방사선신호 증폭부에서 증폭된 증폭 제1메인 아노드 방사선신호와 증폭 제1서브 아노드 방사선신호의 크기를 비교하여 제1비교신호를 생성하는 제1비교기와, 상기 방사선신호 증폭부에서 증폭된 증폭 제2메인 아노드 방사선신호와 증폭 제2서브 아노드 방사선신호의 크기를 비교하여 제2비교신호를 생성하는 제2비교기로 구성되는 방사선신호 비교부; 및
    상기 제1비교기의 출력신호와 상기 제2비교기의 출력신호의 차이로 방사선반응 XY좌표로 결정하고, 상기 증폭 캐소드 방사선신호를 상기 제1비교기의 출력신호와 상기 제2비교기의 출력신호의 차이로 나눈 값을 방사선반응 Z좌표로 결정하는 방사선신호 처리부;를 포함하고,
    상기 방사선신호 검출부는 메인신호 수집 아노드의 일단과 서브신호 수집 아노드의 일단이 상기 화합물반도체 기판의 중심부에 위치하고, 메인신호 수집 아노드의 반대 단과 서브신호 수집 아노드의 반대 단은 상기 화합물반도체 기판의 가장자리에 위치하는 것을 특징으로 하는 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화합물반도체 기판은, 상기 화합물반도체 기판의 반대 일면의 가장자리에 링 형태로 구현되어 상기 메인신호 수집 아노드 스트링과 상기 서브신호 수집 아노드 스트링을 감싸는 가드링이 더 구비된 것을 특징으로 하는 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방사선신호 증폭부는, 상기 캐소드 방사선신호를 증폭하여 증폭 캐소드 방사선신호를 생성하는 캐소드 신호증폭기와;
    상기 제1메인 아노드 방사선신호를 증폭하여 상기 4개의 증폭 아노드 방사선신호 중 증폭 제1메인 아노드 방사선신호를 생성하는 제1메인 아노드 신호증폭기와;
    상기 제2메인 아노드 방사선신호를 증폭하여 상기 4개의 증폭 아노드 방사선신호 중 증폭 제2메인 아노드 방사선신호를 생성하는 제2메인 아노드 신호증폭기와;
    상기 제1서브 아노드 방사선신호를 증폭하여 상기 4개의 증폭 아노드 방사선신호 중 증폭 제1서브 아노드 방사선신호를 생성하는 제1서브 아노드 신호증폭기; 및
    상기 제2서브 아노드 방사선신호를 증폭하여 상기 4개의 증폭 아노드 방사선신호 중 증폭 제2서브 아노드 방사선신호를 생성하는 제2서브 아노드 신호증폭기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방사선반응 XY좌표는 다음의 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기.
    Figure 112018052336923-pat00008

    여기서 SXY는 방사선반응 XY좌표이고, SDA는 제1비교신호이며, SDB는 제2비교신호이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방사선반응 Z좌표는 다음의 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기.
    Figure 112018052336923-pat00009

    여기서 SZ는 방사선반응 Z좌표이며, SDA는 제1비교신호이고, SDB는 제2비교신호이며, ASC 증폭 캐소드 방사선신호이다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화합물반도체는, II-VI족 화합물 반도체 중 하나인 것을 특징으로 하는 스파이럴 그리드 전극을 가지는 방사선 검출기.
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