KR101930402B1 - 톱니모양 문턱전압을 이용한 시간 기반의 신호 획득 장치 및 방법 - Google Patents

톱니모양 문턱전압을 이용한 시간 기반의 신호 획득 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 톱니모양 문턱전압을 이용한 시간 기반의 신호 획득 장치 및 방법에 대한 것이다. 본 발명은 섬광신호의 전압값보다 작으면 증가하고 섬광신호의 전압값보다 크면 초기값으로 감소하는 톱니 모양의 문턱전압을 발생시키는 톱니전압생성부, 그리고 섬광신호를 수신하여 상기 섬광신호의 전압값과 상기 문턱전압을 비교하여 디지털 펄스열을 생성하는 신호비교부를 포함한다. 이러한 본 발명에 의하면 고가의 장치를 이용하지 않고도 방사선 검출기에서 검출한 섬광신호의 정보를 정밀하게 추정할 수 있다.

Description

톱니모양 문턱전압을 이용한 시간 기반의 신호 획득 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SIGNAL SAMPLING BASED ON TIME USING SAWTOOTH SHAPED THRESHOLD}
본 발명은 톱니모양 문턱전압을 이용한 시간 기반의 신호 획득 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 방사선 검출기에서 발생한 섬광신호로부터 검출된 방사선의 에너지 및 도달 시간 정보를 정밀하고 경제적으로 측정할 수 있는 시간 기반의 신호 획득 장치 및 방법에 대한 것이다.
방사선 검출기에서 발생하는 섬광 신호로부터 검출된 방사선의 에너지 및 검출 시간 정보를 계산하기 위해 다양한 방법이 사용되고 있다. 방사선의 에너지는 신호의 적분 혹은 신호의 최대 높이로부터 구하며, 검출 시간 정보는 신호가 처음 발생하기 시작한 시점의 시간으로 계산한다. 따라서 방사선 검출기에서 발생하는 신호를 정밀하게 측정해야만 방사선 에너지의 크기와 도달 시간 정보를 정확히 산출할 수 있다.
또한 단일 섬광결정이 아닌 여러 개의 다른 종류의 섬광 결정 또는 섬광결정에 특수 처리를 통해 반응 위치에 따라 섬광신호의 감쇠시간이 달라지게 구성한 방사선 검출기의 경우 신호가 감쇠되는 시간을 통해 섬광결정의 종류 혹은 반응 위치를 파악할 수 있다. 따라서 방사선 검출기의 신호에서 이러한 신호의 높이, 발생 시간, 감쇠 시간을 정확히 추정할 수 있어야 한다.
섬광신호로부터 정보를 획득하기 위한 전통적인 방법은 전하-디지털 변환기(Charge to Digital Converter; 이하 ‘QDC’ 라 함) 혹은 아날로그-디지털 변환기(Analog to Digital Converter; 이하 ‘ADC’라 함)를 이용하는 방법이다. 이 두 가지 방법은 에너지 정보를 비교적 가장 정확하게 얻을 수 있다는 장점이 있다.
하지만 QDC의 경우 방사선 검출기에서 나온 전하를 일정 시간 동안 축전기에 축적(전하 적분; Charge Integration)한 후 이를 읽어 들이는 기술로써 검출 시간 정보를 측정할 수 없기 때문에 시간 정보 획득을 위한 추가적인 시간-디지털 변환기(Time to Digital Converter; 이하 ‘TDC’라 함)가 필요하고 감쇠 시간 정보를 추정하기 위해서는 전하 적분 구간이 다른 2개의 QDC를 이용해야 한다는 단점이 있다.
ADC의 경우 에너지, 검출 시간, 감쇠 시간 정보를 동시에 획득할 수 있다는 장점이 있으나, 수십 내지 수백 MHz의 샘플링 레이트(Sampling Rate)를 갖는 ADC의 경우 검출 시간 정보를 정밀하게 계산할 수 없어 TDC가 필요하고, 수 GHz의 샘플링 레이트를 갖는 ADC의 경우 시간 정보 역시 정밀하게 측정할 수 있으나 매우 고가이며 발열이 심하기 때문에 다채널 확장이 어렵다는 단점이 있다.
QDC 및 ADC는 상대적으로 고가이며, 수천 내지 수만 개의 신호를 처리할 수 있도록 집적도를 올리는데 불리하기 때문에, 최근 TDC만을 이용하여 정보를 획득하는 시간 기반의 신호 획득 기법이 제시되었다.
시간 기반의 신호 획득 기법 중 하나인 Time-over-Threshold(이하 ‘ToT’라 함) 방법은 가장 간단한 시간 기반의 신호 획득 방법으로써, 섬광신호에서 특정 문턱 전압(Threshold Voltage) 이상인 파형의 폭을 측정하여 섬광 신호의 에너지를 측정하는 기술이다. 이 때 섬광 신호의 검출 시간은 출력 신호의 리딩 에지(Leading Edge)로부터 얻는다.
하지만 ToT의 경우 ToT 값이 실제 검출된 에너지와 비례하지 않고 log 관계에 있다는 단점이 있으며, 잡음에 민감하여 에너지 검출 성능인 에너지 분해능(Energy Resolution)이 떨어진다는 단점이 있다. 또한 이 방법의 경우 섬광 신호의 감쇠 시간을 추정할 수 없다는 단점이 있다. 또한 문턱 전압의 설정에 따라 에너지와 시간 측정의 정밀도 간의 트레이드오프(trade off)가 있다.
ToT의 에너지 선형성을 개선한 기존 기술로는 여러 문턱전압을 사용하는 다중 문턱전압 ToT (Multi-voltage threshold; 이하 ‘MVT’라 함), 섬광 신호의 에너지에 따라 문턱 전압을 바꿔주는 동적 문턱전압 ToT(Dynamic threshold; 이하 ‘dToT’라 함), 섬광 신호 전하에 비례하게 ToT 값을 출력하게 회로를 선형화 한 전하-시간 변환기(Charge-to-time converter; 이하 ‘QTC’라 함)가 있다.
MVT의 경우 몇 개의 다른 문턱 전압을 갖는 ToT를 동시에 사용하여 에너지 선형성을 개선시킨 기술이지만, 많은 수의 비교기와 디지털 채널이 필요하다는 단점이 있다. dToT와 QTC는 에너지 선형성은 개선을 위해 시간 정보를 희생하여 정밀한 시간 측정이 불가능하다는 단점이 있다.
한편, 전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명의 일실시예는 섬광신호에서 에너지 및 시간에 대한 정보를 얻기 위한 톱니모양 문턱전압을 이용한 시간 기반의 신호 획득 장치 및 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예는 고가의 장치를 사용하지 않고도 섬광신호에서 에너지 및 시간에 대한 정보를 정밀하게 추정할 수 있는 톱니모양 문턱전압을 이용한 시간 기반의 신호 획득 장치 및 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
나아가 본 발명의 일실시예는 여러 샘플링 포인트로부터 정보를 획득하여 잡음에 민감하지 않은 톱니모양 문턱전압을 이용한 시간 기반의 신호 획득 장치 및 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따르면 신호 획득 장치는, 섬광신호의 전압값보다 작으면 증가하고 섬광신호의 전압값보다 크면 초기값으로 감소하는 톱니 모양의 문턱전압을 발생시키는 톱니전압생성부, 그리고 섬광신호를 수신하여 상기 섬광신호의 전압값과 상기 문턱전압을 비교하여 디지털 펄스열을 생성하는 신호비교부를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 신호 획득 방법은 방사선 검출기에서 검출되는 섬광신호의 정보를 획득하는 신호 획득 장치에 의해 수행되고, 섬광신호를 수신하는 단계; 상기 섬광신호의 전압값보다 작으면 증가하고 상기 섬광신호의 전압값보다 크면 초기값으로 감소하는 톱니 모양의 문턱전압을 발생시키는 단계; 상기 섬광신호의 전압값과 상기 문턱전압을 비교하여 디지털 펄스열을 생성하는 단계; 그리고 상기 디지털 펄스열에 기초하여, 상기 섬광신호의 에너지 정보와 검출 시간 정보 중 적어도 하나를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일실시예는 섬광신호에서 에너지 및 시간에 대한 정보를 얻기 위한 톱니모양 문턱전압을 이용한 시간 기반의 신호 획득 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면 본 발명의 일실시예는 고가의 장치를 사용하지 않고도 섬광신호에서 에너지 및 시간에 대한 정보를 정밀하게 추정할 수 있다.
나아가 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면 본 발명의 일실시예는 여러 샘플링 포인트로부터 정보를 획득하여 잡음에 민감하지 않은 톱니모양 문턱전압을 이용한 시간 기반의 신호 획득 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 장치의 기능적 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 장치의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 장치를 이용하여 획득되는 신호의 파형을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 방법을 단계적으로 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 장치를 이용하여 실제 재구성한 섬광신호의 파형과 고성능 ADC로부터 얻은 섬광신호의 파형을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 장치를 이용하여 실제 재구성한 섬광신호와 고성능 ADC로부터 얻은 섬광신호 사이의 에너지 선형성을 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 방법과 기존의 신호 획득 방법들 간의 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 방법을 이용하여 서로 감쇠 시간이 다른 섬광결정들이 구분됨을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
우선 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 신호 획득 장치 및 이를 이용한 신호 획득 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 장치의 기능적 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 장치의 회로도이다. 또한 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 장치를 이용하여 획득되는 신호의 파형을 도시한 그래프이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 방법을 단계적으로 도시한 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 신호 획득 장치(100)는 톱니전압생성부(10)를 포함한다. 톱니전압생성부(10)는 도 3에 도시된 톱니 형상의 문턱전압T(t)를 생성한다. 구체적으로 톱니전압생성부(10)는 초기 문턱전압(T0)에서부터 시간에 따라 증가하는 값을 갖되, 섬광신호 S(t)보다 커지면 다시 초기 문턱전압(T0)으로 감소하는 톱니 형상의 문턱전압T(t)을 발생시킬 수 있다. 다만 도 3에 도시된 톱니 형상의 문턱전압 T(t)의 파형은 하나의 예에 불과하고 본 발명의 실시예에 의한 신호 획득 장치(100)가 발생시키는 톱니형상의 문턱전압 T(t)은 초기 문턱전압(T0)이 급격히 증가하여 섬광신호 S(t)보다 커지면 다시 시간에 따라 서서히 감소하는 파형을 가질 수 있다. 또한 다른 예로서 본 발명의 실시예에 의한 신호 획득 장치(100)가 발생시키는 톱니형상의 문턱전압 T(t)은 초기 문턱전압(T0)이 시간에 따라 서서히 증가하는 값을 갖고, 섬광신호 S(t)보다 커지면 다시 서서히 감소하는 톱니 형상을 가질 수도 있다. 다만 아래에서는 설명의 편의를 위해 도 3에 도시된 톱니 파형을 갖는 문턱전압 T(t)을 생성하여 섬광신호의 에너지를 연산하는 방법을 중심으로 설명한다.
도 3에 도시된 실시예에 따른 문턱전압 T(t)을 생성하기 위하여 톱니전압생성부(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 저항(RS)과 축전기(CS)로 이루어진 저역필터(Low Pass Filter)와 아날로그 스위치를 포함하여 구성될 수 있다. 이때 아날로그 스위치(S)는 후술할 비교기(Comp)의 출력이 0이면 닫힌 상태, 비교기의 출력이 1이 되면 열린 상태로 제어된다. 이때 비교기(Comp)의 출력에 따라 아날로그 스위치(S)를 제어하기 위해 신호 획득 장치(100)는 비교기(Comp)의 출력을 입력 받아 반전시키는 인버터(I)를 포함할 수 있다.
이때 문턱전압 T(t)는 아날로그 스위치(S)가 닫힌 상태에서 일정한 초기 문턱전압(T0)을 갖게 된다. 즉, 아날로그 스위치(S)는 일정한 초기 문턱전압(T0)를 출력하는 전원에 선택적으로 연결된다. 그리고 문턱전압 T(t)는 아날로그 스위치(S)가 열린 상태가 되면 저역필터에 의해 서서히 증가하게 된다.
여기서 초기 문턱전압(T0)는 도 3에 도시된 바와 같이 섬광신호의 기준선(Baseline)보다 높게 설정될 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 의한 신호 획득 장치(100)는 신호비교부(20)를 포함할 수 있다. 신호비교부(20)는 섬광신호 S(t)와 문턱전압 T(t)의 전압값을 서로 비교하여 섬광신호 S(t)의 값이 문턱전압 T(t)의 값보다 클 때와 작을 때 서로 다른 값을 갖는 디지털 펄스열을 출력할 수 있다.
신호비교부(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 각각 섬광신호 S(t)와 문턱전압 T(t)을 입력 받아 디지털 출력신호 D(t)를 출력하는 비교기(Comp)를 포함하여 구성될 수 있다. 비교기(Comp)는 도 3에 도시된 바와 같이 섬광신호 S(t)가 문턱전압 T(t)보다 클 때는 1을 출력하고, 섬광신호 S(t)가 문턱전압 T(t)보다 작을 때는 0을 출력할 수 있다. 그에 따라 디지털 펄스열의 출력을 생성할 수 있다.
한편 상술한 바와 같이 톱니전압생성부(10)의 인버터(I)는 비교기(Comp)의 출력 D(t)를 반전시켜 아날로그 스위치(S)를 제어하는데, 그에 따라 저역필터에 의해 시간에 따라 증가하는 값을 갖는 문턱전압 T(t)은, 문턱전압 T(t)이 섬광신호 S(t)보다 커지면 비교기(Comp)의 출력이 0이 되면서 인버터(I)의 출력이 1이 되고 아날로그 스위치(S)가 닫힌 상태로 전환되어 초기 문턱전압 T0으로 감소한다. 즉 톱니전압생성부(10)는 신호비교부(20)의 출력을 피드백 받아 톱니 형상의 전압을 생성하는데 이용한다.
나아가 도 2에 도시된 바와 같이 신호 획득 장치(100)는 비교기(Comp)의 출력 D(t)를 저역필터로 전달하거나 외부로 출력하기 위해 두 개의 버퍼(B1, B2)를 회로구성으로서 포함할 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 의한 신호 획득 장치(100)에서는 섬광신호 S(t)가 T0보다 작아질 때까지 톱니모양 문턱전압 T(t)을 섬광신호 S(t)와 비교하여 디지털 펄스열을 출력한다.
다만 도 2에 도시된 신호 획득 장치(100)의 회로구성은 상술한 바와 같이 본 발명의 신호 획득 장치(100)가 톱니 형상의 문턱전압 T(t)을 발생시키는데 사용되는 하나의 예에 불과하고 본 발명의 신호 획득 장치(100)가 도 2에 도시된 회로구성으로 한정되는 것은 아니다.
한편 다시 도 1에서, 본 발명의 일실시예에 의한 신호 획득 장치(100)는 신호복원부(30)를 포함할 수 있다. 신호복원부(30)는 상술한 신호비교부(20)의 출력, 즉 디지털 펄스열을 이용하여 섬광신호를 복원할 수 있다.
구체적으로 도 3에 도시된 바와 같이 섬광신호 S(t)와 문턱전압 T(t)을 비교하여 출력된 디지털 펄스열 D(t)에 포함된 펄스들의 리딩 엣지(Leading Edge) 및/또는 트레일링 엣지(Trailing Edge)가 나타난 시간과, 디지털 펄스열 D(t)의 문턱전압의 기울기(Δa)를 이용하면 도 3에서 빨강색 원으로 도시한 점의 전압값들을 산출할 수 있다. 즉 각 전압값들은 다음과 같은 수식에 의해 산출될 수 있다.
V(0)= a*w(0)+T0 , w(0)= tt(0)-tl(0)
V(1)= a*w(1)+T0 , w(0)= tt(0)-tl(0)
V(2)= a*w(2)+T0 , w(0)= tt(0)-tl(0)
V(3)= a*w(3)+T0 , w(0)= tt(0)-tl(0)
여기서 V(n)은 톱니 모양 문턱전압 T(t)의 n번째 톱니의 전압값을 나타내고, w(n)은 n번째 펄스의 시간폭을 나타내는 값으로서, 각각 n번째 펄스의 트레일링 엣지가 나타난 시간 tt(n)에서 n번째 펄스의 리딩 엣지가 나타난 시간tl(n)을 뺀 값이다.
또한 이때 도 3에 도시된 바와 같이 실제 문턱전압T(t)과 디지털 펄스열 사이에는 시간 지연값td 이 존재하므로 V(n)값들을 구할 때 다음과 같은 수식을 이용할 수도 있다.
V(n)= a*(w(0)-td)+T0 , w(0)= tt(0)-tl(0)
이때 V(n)값들은 신호비교부(20)의 비교 결과 섬광신호 S(t)와 문턱전압 T(t)의 값이 일치하는 때의 문턱전압 T(t)으로서 상술한 바와 같은 방법으로 V(n)값을 연산하면, 실질적으로 복수의 샘플링 포인트들(디지털 펄스열 D(t)에 포함된 복수의 펄스의 트레일링 엣지가 나타난 시간들, 도 3에서 tt(0), tt(1), tt(2), tt(3) 등)에서의 섬광신호 S(t)의 전압값들을 획득하는 것과 같다.
또한 신호복원부(30)는 섬광신호 S(t)의 복원을 위해 디지털 펄스열 D(t)의 첫 번째 펄스의 리딩 엣지가 나타난 시간값 tl(0)을 이용하여 섬광신호의 검출 시간 정보를 획득할 수 있다.
이에 따라 신호복원부(30)는 검출 시간 정보와 각 샘플링 포인트들에서의 전압값들을 이용하여 섬광신호를 정교하게 복원할 수 있다.
일반적으로 방사선 검출기에서 나오는 신호는 다음과 같은 두 지수함수의 결합으로 표현될 수 있다. 따라서 신호복원부(30)는 복수의 샘플링 포인트를 이용하여 예를 들어, 다음과 같은 지수함수의 상수들을 구하는 방식으로 섬광신호 S(t)를 복원할 수 있다.
Figure 112017037430672-pat00001
또한 다른 섬광신호 S(t)의 복원 방식으로서, 다음과 같은 수식을 이용할 수 있다.
Figure 112017037430672-pat00002
그리고 본 발명의 일실시예에 의한 신호 획득 장치(100)는 복원된 신호에 기초하여 섬광신호의 에너지와 검출 시간에 대한 정보를 최종적인 검출 결과로서 산출하는 정보연산부(40)를 포함할 수 있다. 정보연산부(40)는 신호 복원 시에 활용된 첫번째 펄스의 리딩 엣지가 나타난 시간값 tl(0)을 검출 시간 정보로 출력하고, 복원된 신호를 적분하여 에너지 정보를 산출할 수 있다.
이와 같이 정보연산부(40)가 최종 결과로서 출력하는 에너지 정보와 검출 시간 정보는 방사선 검출기에서 발생한 섬광신호의 에너지 및 도달 시간 정보를 나타낸다.
또한 본 발명의 실시예에서는 섬광신호 S(t)를 복원한 후 이를 적분하여 에너지 정보를 산출하지 않고, 검출 시간 정보와 각 샘플링 포인트들에서의 전압값들을 이용하여 바로 에너지 정보를 산출할 수도 있다.
이를 위하여 예를 들어 다음과 같은 수식들을 활용할 수 있다.
각각의 샘플링 포인트들의 좌표를 (t(i), v(i))라고 할 때, 섬광신호 S(t)의 에너지는 직사각형 합산(Rectangular Sum) 방식을 이용해 다음과 같은 수식으로 연산될 수 있다.
Figure 112017037430672-pat00003
또는 각각의 샘플링 포인트들의 좌표를 (t(i), v(i))라고 할 때, 섬광신호 S(t)의 에너지는 사다리꼴 합산(Trapezoidal Sum) 방식을 이용하여 다음과 같은 수식으로 연산될 수 있다.
Figure 112017037430672-pat00004
또한 다른 방법으로서, 각각의 샘플링 포인트들의 좌표를 (t(i), v(i))라고 할 때 너비를 이용하여 직사각형 면적을 구하는 방식(Width Square)을 이용하여 섬광신호 S(t)의 에너지를 구할 수 있다.
Figure 112017037430672-pat00005
한편 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 신호 획득 장치(100)를 이용하여 섬광신호의 에너지와 도달 시간 정보를 획득하는 신호 획득 방법을 설명한다.
우선 섬광신호가 발생하면 신호 획득 장치(100)는 방사선 검출기에서 발생하는 섬광신호 S(t)를 수신한다(S401).
그리고 동시에 신호 획득 장치(100)는 초기 값은 T0이고 선행 증가하되, 증가된 값이 섬광신호 S(t)보다 커지면 다시 T0가 되는 톱니 모양 문턱전압 T(t)을 발생시킨다(S403). 여기서 T0값은 섬광신호의 기준선보다 높은 값을 갖는다.
이어서 신호 획득 장치(100)는 입력되는 섬광신호 S(t)의 전압값과 문턱전압 T(t)를 서로 비교하여, 섬광신호 S(t)가 더 크면 1을 출력하고 문턱전압 T(t)가 더 크면 0을 출력하여 디지털 펄스열 D(t)을 획득한다(S405).
이때 S401 내지 S405단계는 섬광신호 S(t)의 전압값이 다시 T0이하가 될 때까지 동시에 지속하여 수행된다. 그에 따라 실질적으로 S405단계에서의 비교 결과에 따라 S403단계에서 발생되는 문턱전압 T(t) 값이 영향을 받게 된다.
이어서 신호 획득 장치(100)는 S401 내지 S405단계의 수행에 의해 획득된 디지털 펄스열 D(t)을 이용하여 섬광신호 S(t)를 복원할 수 있다(S407).
이때 신호 획득 장치(100)는 상술한 바와 같이 각 펄스의 트레일링 엣지가 나타난 시간을 샘플링 포인트로 하여 해당 시간의 문턱전압 T(t)를 산출할 수 있고, 이때 각 펄스의 트레일링 엣지와 리딩 엣지가 나타난 시간값과, 문턱전압 T(t)가 갖는 기울기 a가 이용될 수 있다.
이어서 신호 획득 장치(100)는 산출된 샘플링 포인트들의 전압값들을 이용하여 섬광신호 S(t)를 복원할 수 있다.
이어서 신호 획득 장치(100)는 복원된 섬광신호 S(t)를 이용하여 섬광신호의 에너지 정보를 산출할 수 있는데, 이 경우 복원된 신호를 적분함으로써 에너지 정보를 산출할 수 있다(S409).
또한 신호 획득 장치(100)는 디지털 펄스열 D(t)의 첫 번째 펄스의 리딩 엣지가 나타난 시간을 검출 시간 정보, 즉 섬광신호의 도달 시간 정보로 산출할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서 S407 단계와 S409 단계는 S401 내지 S405단계의 수행에 의해 획득된 디지털 펄스열 D(t)을 이용하여 섬광신호 S(t)의 에너지를 바로 산출하는 단계로 갈음될 수 있다. 즉 S407 단계와 S409 단계 대신에 섬광신호 S(t)를 복원하여 적분하는 과정을 거치지 않고 디지털 펄스열 D(t)의 각 샘플링 포인트들의 좌표를 이용하여 에너지를 바로 연산하는 단계가 수행될 수도 있다.
이하에서는 도 5 내지 9를 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 신호 획득 장치(100)와 신호 획득 방법을 이용하여 실제로 신호를 획득한 결과를 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 장치를 이용하여 실제 재구성한 섬광신호의 파형과 고성능 ADC로부터 얻은 섬광신호의 파형을 비교한 그래프이고. 도6은 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 장치를 이용하여 실제 재구성한 섬광신호와 고성능 ADC로부터 얻은 섬광신호 사이의 에너지 선형성을 나타낸 그래프이다.
또한 도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 방법과 기존의 신호 획득 방법들 간의 성능을 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 획득 방법을 이용하여 서로 감쇠 시간이 다른 섬광결정들이 구분됨을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 실제 고성능 ADC로 얻은 섬광신호와 본 발명의 신호 획득 방법을 이용하여 재구성한 복원신호를 확인할 수 있다. 재구성한 신호가 실제의 섬광신호에 거의 차이가 없이 복원됨을 확인할 수 있다. 또한 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 신호 획득 방법을 이용하여 추정한 감마선의 에너지(ESTS)와 실제 입사된 감마선의 에너지와의 관계를 나타내고 있다. 기존의 ToT 방법과는 달리 본 발명의 실시예에 의한 신호획득방법은 실제 에너지와 큰 선형성(R2=0.99)을 갖는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 7과 도 8을 참조하면, 22Na에서 나오는 쌍소멸(Annihilation) 감마선에 대해 에너지 분해능과 동시 시간 분해능(Coincidence Time Resolution)을 측정하여 비교한 결과를 확인할 수 있다. 5GHz로 동작하는 고속 ADC 기반의 방법에 의해 획득된 파형(Waveform sampling(5GHZ))이 가장 좋은 결과를 보여주었으나, 본 발명에서 제안한 신호 획득 방법(STS)도 큰 차이를 보이지 않는다. 하지만 본 발명의 신호 획득 방법은 고속 ADC 기반의 방법보다 매우 저렴하게 구현할 수 있으며 확장성에도 큰 장점이 있다. 반면 기존의 시간 기반의 신호 획득 방법인 ToT의 경우 제안한 방법보다 좋지 않은 에너지 및 시간 분해능 성능을 가짐을 도 7 및 8을 통해 확인할 수 있다.
나아가 도 9를 참조하면 본 발명의 일실시예에 의한 신호 획득 방법이 감쇠 시간(Decay Time)이 다른 섬광결정을 정확히 구분할 수 있음을 보여준다. 감쇠 시간 상수가 40 ns인 섬광결정 L0. 95GSO의 섬광신호와 60 ns 인 섬광결정 L0. 20GSO의 섬광신호의 머리 길이(Head)에 대한 꼬리 길이(Tail)의 비가 분명하게 구분된다.
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field programmable gate array) 또는 ASIC 와 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램특허 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다.
구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로부터 분리될 수 있다.
뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU 들을 재생시키도록 구현될 수도 있다
또한 본 발명의 일실시예에 따르는 신호 획득 방법은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램(또는 컴퓨터 프로그램 상품)으로 구현될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램은 프로세서에 의해 처리되는 프로그래밍 가능한 기계 명령어를 포함하고, 고레벨 프로그래밍 언어(High-level Programming Language), 객체 지향 프로그래밍 언어(Object-oriented Programming Language), 어셈블리 언어 또는 기계 언어 등으로 구현될 수 있다. 또한 컴퓨터 프로그램은 유형의 컴퓨터 판독가능 기록매체(예를 들어, 메모리, 하드디스크, 자기/광학 매체 또는 SSD(Solid-State Drive) 등)에 기록될 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시예에 따르는 신호 획득 방법은 상술한 바와 같은 컴퓨터 프로그램이 컴퓨팅 장치에 의해 실행됨으로써 구현될 수 있다. 컴퓨팅 장치는 프로세서와, 메모리와, 저장 장치와, 메모리 및 고속 확장포트에 접속하고 있는 고속 인터페이스와, 저속 버스와 저장 장치에 접속하고 있는 저속 인터페이스 중 적어도 일부를 포함할 수 있다. 이러한 성분들 각각은 다양한 버스를 이용하여 서로 접속되어 있으며, 공통 머더보드에 탑재되거나 다른 적절한 방식으로 장착될 수 있다.
여기서 프로세서는 컴퓨팅 장치 내에서 명령어를 처리할 수 있는데, 이런 명령어로는, 예컨대 고속 인터페이스에 접속된 디스플레이처럼 외부 입력, 출력 장치상에 GUI(Graphic User Interface)를 제공하기 위한 그래픽 정보를 표시하기 위해 메모리나 저장 장치에 저장된 명령어를 들 수 있다. 다른 실시예로서, 다수의 프로세서 및(또는) 다수의 버스가 적절히 다수의 메모리 및 메모리 형태와 함께 이용될 수 있다. 또한 프로세서는 독립적인 다수의 아날로그 및(또는) 디지털 프로세서를 포함하는 칩들이 이루는 칩셋으로 구현될 수 있다.
또한 메모리는 컴퓨팅 장치 내에서 정보를 저장한다. 일례로, 메모리는 휘발성 메모리 유닛 또는 그들의 집합으로 구성될 수 있다. 다른 예로, 메모리는 비휘발성 메모리 유닛 또는 그들의 집합으로 구성될 수 있다. 또한 메모리는 예컨대, 자기 혹은 광 디스크와 같이 다른 형태의 컴퓨터 판독 가능한 매체일 수도 있다.
그리고 저장장치는 컴퓨팅 장치에게 대용량의 저장공간을 제공할 수 있다. 저장 장치는 컴퓨터 판독 가능한 매체이거나 이런 매체를 포함하는 구성일 수 있으며, 예를 들어 SAN(Storage Area Network) 내의 장치들이나 다른 구성도 포함할 수 있고, 플로피 디스크 장치, 하드 디스크 장치, 광 디스크 장치, 혹은 테이프 장치, 플래시 메모리, 그와 유사한 다른 반도체 메모리 장치 혹은 장치 어레이일 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 섬광신호의 정보를 획득하는 신호 획득 장치에 있어서,
    섬광신호의 전압값보다 작으면 증가하고 섬광신호의 전압값보다 크면 초기값으로 감소하는 톱니 모양의 문턱전압을 발생시키는 톱니전압생성부;
    섬광신호를 수신하여 상기 섬광신호의 전압값과 상기 문턱전압을 비교하여 디지털 펄스열을 생성하는 신호비교부; 및
    상기 디지털 펄스열을 이용하여 상기 섬광신호를 복원하는 신호복원부를 더 포함하고,
    상기 신호복원부는,
    상기 디지털 펄스열에 포함된 각 펄스의 트레일링 엣지가 나타난 시간을 샘플링 포인트로 하여, 복수의 샘플링 포인트에서의 문턱전압값을 상기 문턱전압이 증가하는 기울기를 이용하여 산출하는, 신호 획득 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호비교부는,
    상기 섬광신호의 전압값이 상기 문턱전압보다 크면 1을 출력하고, 상기 섬광신호의 전압값이 상기 문턱전압보다 작으면 0을 출력하는 비교기를 포함하여 구성되는, 신호 획득 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 톱니전압생성부는,
    상기 신호비교부의 비교 결과에 따라, 일정하게 상기 초기값을 출력하는 전원에 선택적으로 연결되는 스위치; 그리고
    상기 스위치가 개방된 상태에서 일정하게 증가하는 문턱전압을 발생시키는 저역필터를 포함하여 구성되는, 신호 획득 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호복원부는,
    상기 복수의 샘플링 포인트에서의 문턱전압값들을 이용하여 상기 섬광신호를 복원하는, 신호 획득 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신호복원부는,
    상기 복수의 샘플링 포인트에서의 문턱전압값을 산출하기 위하여, 상기 디지털 펄스열의 각 펄스의 리딩 엣지와 트레일링 엣지가 나타난 시간 정보를 이용하는, 신호 획득 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 신호복원부는,
    상기 복수의 샘플링 포인트에서의 문턱전압값을 산출하기 위하여, 상기 디지털 펄스열의 각 펄스의 리딩 엣지와 트레일링 엣지가 나타난 시간 정보와 함께 지연 시간 정보를 추가적으로 이용하는, 신호 획득 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 신호 획득 장치는,
    상기 신호복원부가 복원한 섬광신호를 이용하여 섬광신호의 정보를 산출하는 정보산출부를 더 포함하는 신호 획득 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 정보산출부는,
    상기 신호복원부가 복원한 섬광신호를 적분하여 상기 섬광신호의 에너지 정보를 획득하는, 신호 획득 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 정보산출부는,
    상기 디지털 펄스열의 첫 번째 펄스의 리딩 엣지가 나타난 시간을 이용하여 검출 시간 정보를 획득하는, 신호 획득 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 신호 획득 장치는,
    상기 신호비교부가 발생한 디지털 펄스열을 이용하여 상기 섬광신호의 에너지 정보를 획득하는 정보산출부를 더 포함하는, 신호 획득 장치.
  13. 섬광신호의 정보를 획득하는 신호 획득 장치에 의해 수행되고,
    상기 섬광신호를 수신하는 단계;
    상기 섬광신호의 전압값보다 작으면 증가하고 상기 섬광신호의 전압값보다 크면 초기값으로 감소하는 톱니 모양의 문턱전압을 발생시키는 단계;
    상기 섬광신호의 전압값과 상기 문턱전압을 비교하여 디지털 펄스열을 생성하는 단계; 그리고
    상기 디지털 펄스열에 기초하여, 상기 섬광신호의 에너지 정보와 검출 시간 정보 중 적어도 하나를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 디지털 펄스열에 기초하여 상기 섬광신호를 복원하는 단계; 그리고
    복원된 섬광신호를 이용하여 상기 섬광신호의 에너지 정보를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 복원하는 단계는,
    상기 디지털 펄스열에 포함된 각 펄스의 트레일링 엣지가 나타난 시간을 샘플링 포인트로 하여, 복수의 샘플링 포인트에서의 문턱전압값을 상기 문턱전압의 기울기를 이용하여 연산하는 단계; 그리고
    각 샘플링 포인트에서의 문턱전압값을 이용하여 상기 섬광신호를 복원하는 단계를 포함하는, 신호 획득 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 섬광신호의 정보를 획득하는 신호 획득 장치에 의해 수행되고,
    상기 섬광신호를 수신하는 단계;
    상기 섬광신호의 전압값보다 작으면 증가하고 상기 섬광신호의 전압값보다 크면 초기값으로 감소하는 톱니 모양의 문턱전압을 발생시키는 단계;
    상기 섬광신호의 전압값과 상기 문턱전압을 비교하여 디지털 펄스열을 생성하는 단계; 그리고
    상기 디지털 펄스열에 기초하여, 상기 섬광신호의 에너지 정보와 검출 시간 정보 중 적어도 하나를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 디지털 펄스열의 첫 번째 펄스의 리딩 엣지가 나타난 시간을 검출 시간 정보로 획득하는 단계를 포함하는, 신호 획득 방법.
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