KR102010151B1 - 뮤온 검출기 및 이를 포함하는 뮤온 검출시스템 - Google Patents

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Abstract

뮤온 검출기는 뮤온의 하전입자가 통과하면 빛을 발생시키는 섬광물질을 구비하는 섬광체, 섬광체의 양단에 구비되어, 섬광물질에서 발생한 빛이 입사되면 전기신호를 발생하는 광증배관 및 섬광체와 광증배관 사이에 구비되어서 섬광체와 광증배관을 연결하고, 섬광체에서 발생한 빛이 전반사되어 광증배관으로 입사되는 광유도부를 포함한다.

Description

뮤온 검출기 및 이를 포함하는 뮤온 검출시스템{MUON DETECTOR AND MUON DETECTING SYSTEM HAVING THE SAME}
이하의 설명은 뮤온 검출기 및 이를 포함하는 뮤온 검출시스템에 관한 것이다.
심우주(deep space)로부터 오는 에너지 안정 입자(energetic stable particle)들(대체로 양성자들임)이 계속하여 지구에 쏟아지고 있다. 이 입자들은 상층 대기에 있는 원자들과 상호작용하여 단수명 파이온(short-lived pion)들을 포함하는 입자들의 소나기를 생성하고, 단수명 파이온들은 붕괴(decay)되어 보다 긴 수명의 뮤온(longer-lived muon)들을 생성한다. 이러한, 뮤온들은 핵 상호작용(nuclear interaction) 없이 주로 쿨롱 힘(Coulomb force)을 통해 물질(matter)과 상호작용한다. 뮤온들은 전자들보다 훨씬 덜 쉽게 에너지를 방사하고, 전자기 상호작용을 통한 산란으로 인해 에너지를 상실한다. 그 결과, 우주선 생성 뮤온들의 다수는 고도로 투과성이 있는 하전 방사선(charged radiation)으로서 지구의 표면에 도착한다. 뮤온은 고에너지 아원자 입자로서 자연적이고 무해한 형태로 지표면에 충돌하는데, 1분당 1평방미터에 10,000개의 뮤온이 충돌한다.
뮤온 단층촬영은 우주선 생성 뮤온들을 탐사 입자(probing particle)로서 이용하고, 검사 중인 대상 물체를 통해 투과하는 이러한 뮤온들의 산란을 측정한다. 뮤온이 대상 물체의 물질을 통해 이동할 때, 아원자 입자(subatomic particle)들의 전하들로부터의 쿨롱 산란(Coulomb scattering)은 그의 궤적을 섭동시킨다. 즉, 뮤온 단층촬영은 이 입자가 물체를 통과할 때 경로와 반응을 검출하는 것이다. 이 뮤온의 궤적은 물체를 관통할 때 물체의 밀도와 관련된 방향으로 변하게 된다.
뮤온 단층촬영에서는 우라늄, 플루토늄 같은 핵물질은 밀도가 매우 높기 때문에 상대적으로 쉽게 식별할 수 있다. 뮤온 단층촬영에서 촬영되는 영상은 X-선 영상과 비슷하지만, 뮤온은 자연적으로 생성되고, 그들과 접촉하는 물질을 손상시키지 않는다.
실시 예의 목적은, 우주선 생성 뮤온들을 이용하여 뮤온 입자의 궤적 및 에너지량을 측정함으로써, 대상체의 촬영 프로파일을 출력할 수 있는 뮤온 검출기 및 뮤온 검출시스템을 제공하는 것이다.
또한, 방사선원을 제공하기 위한 별도의 장치가 필요치 않은 뮤온 검출시스템을 제공하는 것이다.
또한, 섬광체 및 광증배관 사이에 광유도부를 구비하여, 섬광체에서 뮤온에 의해 발생되는 빛이 광증배관에 투과되는 투과율을 증가시켜 정밀한 측정이 가능한 뮤온 검출기 및 뮤온 검출시스템을 제공하는 것이다.
실시 예에 따른 뮤온 검출기를 설명한다.
뮤온 검출기는 뮤온의 하전입자가 통과하면 빛을 발생시키는 섬광물질을 구비하는 섬광체, 상기 섬광체의 양단에 구비되어, 상기 섬광물질에서 발생한 빛이 입사되면 전기신호를 발생하는 광증배관 및 상기 섬광체와 상기 광증배관 사이에 구비되어서 상기 섬광체와 상기 광증배관을 연결하고, 상기 섬광체에서 발생한 빛이 전반사되어 상기 광증배관으로 입사되는 광유도부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 광유도부는, 상기 섬광체와 연결되는 일단의 단면이 상기 섬광체의 단면과 동일한 형상으로 형성되고, 상기 광증배관과 연결되는 타단의 단면이 상기 광증배관의 단면과 동일하거나 작은 형상으로 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 섬광체의 단면과 상기 광증배관의 단면은 서로 다른 형상을 갖고, 상기 광유도부는 상기 일단과 타단 사이에서 점차 형상이 변화되는 형상을 가질 수 있다.
실시 예에 따른 뮤온 검출시스템에 대해 설명한다.
뮤온 검출시스템은 적어도 하나 이상의 뮤온 검출기로 이루어지는 검출층이 복수 층으로 형성되고, 대상체 쪽으로 입사되는 뮤온의 하전입자를 측정하는 제1뮤온 검출 어셈블리, 적어도 하나 이상의 뮤온 검출기로 이루어지는 검출층이 복수 층으로 형성되고, 상기 대상체에서 산란된 뮤온의 하전입자를 측정하는 제2뮤온 검출 어셈블리; 및 상기 제1뮤온 검출 어셈블리 및 상기 제2뮤온검출 어셈블리에 각각 연결되어, 검출된 뮤온의 하전입자의 위치, 궤적 및 에너지를 판별하여 상기 대상체의 형상을 출력하는 출력모듈을 포함하고, 상기 뮤온 검출기는, 뮤온의 하전입자가 통과하면 빛을 발생시키는 섬광물질을 구비하는 섬광체, 상기 섬광체의 양단에 구비되어, 상기 섬광물질에서 발생한 빛이 입사되면 전기신호를 발생하는 광증배관 및 상기 섬광체와 상기 광증배관 사이에 구비되어서 상기 섬광체와 상기 광증배관을 연결하고, 상기 섬광체에서 발생한 빛이 전반사되어 상기 광증배관으로 입사되는 광유도부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 광유도부는, 상기 섬광체와 연결되는 일단의 단면이 상기 섬광체의 단면과 동일한 형상으로 형성되고, 상기 광증배관과 연결되는 타단의 단면이 상기 광증배관의 단면과 동일하거나 작은 형상으로 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 섬광체의 단면과 상기 광증배관의 단면은 서로 다른 형상을 갖고, 상기 광유도부는 상기 일단과 타단 사이에서 점차 형상이 변화되는 형상을 가질 수 있다.
일측에 따르면, 상기 출력모듈은, 상기 뮤온 검출기의 광증배관에서 발생된 전기신호에서 노이즈 성분을 제거하여 뮤온의 검출 신호만을 판별하여 디지털 신호로 변환하는 판별부, 상기 변환된 디지털 신호 중, 각각의 뮤온 검출기에서 한 쌍의 광증배관에서 발생되는 뮤온의 검출신호 간의 시간차를 산출하는 시간-디지털 변환부, 상기 변환된 디지털 신호 중 복수의 뮤온 검출기에서 뮤온의 검출신호가 동시 또는 일정 시간 내에 발생된 디지털 신호를 검출하는 동시계수부, 상기 광증배관에서 발생되는 전기신호의 전류 펄스를 식별하여, 전류 임계치들의 교차점에 대응하는 디지털 레벨들로 변환하는 아날로그-디지털 변환부 및 상기 시간-디지털 변환부에서 산출되는 시간차로 각 뮤온이 각 섬광체에 입사하는 입사 위치를 판별하고, 상기 동시계수부에서 검출된 디지털 신호에서 각 뮤온이 상기 각 섬광체를 통과하는 입사 위치를 판별하여 뮤온의 궤적을 산출하고, 상기 디지털 레벨의 변화량으로 상기 대상체의 밀도를 판별하여 상기 대상체의 형상을 출력하는 게이트부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 제1뮤온 검출 어셈블리 및 제2뮤온 검출 어셈블리는, 일 검출층에 배치되는 상기 뮤온 검출기의 길이방향과 타 검출층에 배치되는 뮤온 검출기의 길이 방향이 평행하게 배치될 수 있다.
일측에 따르면, 제1뮤온 검출 어셈블리 및 제2뮤온 검출 어셈블리는, 각각의 검출층에는 복수의 뮤온 검출기가 그 길이방향으로 서로 평행하게 배치되고, 각각의 검출층은 서로 평행하게 배치되되, 서로 인접하는 검출층은 뮤온 검출기의 길이 방향이 서로 수직하게 교차하도록 배치될 수 있다.
실시 예들에 따르면, 우주선 생성 뮤온들을 이용하여 뮤온 입자의 궤적 및 에너지량을 측정함으로써, 대상체의 촬영 프로파일을 출력할 수 있다.
또한, 별도의 인공적인 방사선 의 발생 없이 대상체의 촬영 프로파일을 출력할 수 있어서, 전력소모를 줄일 수 있다.
또한, 섬광체 및 광증배관 사이에 광유도부를 구비하여, 섬광체에서 뮤온에 의해 발생되는 빛이 광증배관에 투과되는 투과율을 증가시켜 정밀한 측정이 가능할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 뮤온 검출시스템을 개략적으로 보여주는 측면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 뮤온 검출기를 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 광유도부의 길이에 따른 투과율을 보여주는 그래프이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 뮤온 검출시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 뮤온 검출시스템을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
뮤온 검출시스템(1)은 인공 방사선의 사용 없이 대상체의 비파괴검사, 보안검사 등을 수행하기 위해 고도로 투과성이 있는 우선이 발생된 뮤온들의 다수의 쿨롱 산란을 이용하는 시스템이다.
심우주(deep space)로부터 오는 에너지 안정 입자들, 주로 양성자들이 계속하여 지구에 쏟아지고 있다. 이들 입자는 상층 대기에 있는 원자들과 상호 작용하여 보다 긴 수명의 뮤온(longer-lived muon)들을 발생하는 것을 쇠퇴시키는 많은 단 수명 파이온(short-lived pion)들을 포함하는 입자들의 소나기를 발생한다. 뮤온들은 주로 어떤 핵 상호 작용을 갖지 않고 전자들보다 훨씬 덜 쉽게 발하는 쿨롱 힘을 통하여 물질과 상호 작용한다. 이러한 우주선 발생된 입자들은 천천히 에너지를 전자기적 상호 작용들을 통해 상실한다. 그 결과, 우주선 발생 뮤온들의 다수는 고도로 투과성이 있는 하전 방사선으로서 지구의 표면에 뮤온이 물질을 통해 이동할 때, 아원자 입자(sub-atomic particle)들의 전하들로부터의 쿨롱 산란(Coulomb scattering)은 그의 궤적을 섭동시킨다. 총 편향이 몇 가지 물질 특성들에 의존하지만, 주된 효과는 원자핵의 원자 번호(Z) 및 물질의 밀도이다. 뮤온들의 궤적들은 물, 플라스틱, 알루미늄 및 강철과 같은 보다 통상적인 물체들을 이루고 있는 물질들에 의해서 보다 예를 들어, 납 및 텅스텐 등과 같은 양호한 감마선 차폐를 하는 물질들에 의해 및 우라늄 및 플루토늄과 같은 특수 핵 물질(SNM)들에 의해 더 강하게 영향을 받는다. 각각의 뮤온은 그것이 침투한 물체들에 관한 정보를 전달한다. 다수의 뮤온들의 산란은 이들 물체들의 특성들을 검사하기 위해 측정되고 처리될 수 있다. 높은 원자 번호(Z) 및 높은 밀도를 갖는 물질은 그 물질이 낮은 Z 및 중간 Z의 물질 내부에 위치해 있을 때, 검출되고 식별될 수 있다.
뮤온 검출시스템(1)은 대상체(O)에 의한 뮤온들의 산란에 기초하여 검사 중에 있는 대상체(O)의 형상을 촬영 프로파일을 출력한다. 다시 말하면, 뮤온 검출시스템(1)은 대상체(O)의 토모그래피를 수행한다. 뮤온 검출시스템(1)은 감마선 또는 X선 검출기들과 같이 대상체(O)를 검출하기 위한 장비들과 함께 사용되거나, 대체하여 사용될 수 있다. 뮤온 검출시스템(1)은 차폐된 핵 물질 및 물체들을 검출할 수 있어서 감마선 또는 X선 검출기가 검출하지 못하는 차폐된 핵 물질도 검출이 가능할 수 있다.
예를 들어, 뮤온 검출시스템(1)은 도로 테크 포인트, 창고, 공항, 항구 및 다른 검사 점들과 같은 다양한 위치들에서 패키지, 컨테이너, 차량 등 내의 물질들을 검사하고 식별하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 뮤온 검출시스템(1)은 대상체(O)의 존재 또는 부재를 확인하기 위해 자동차, 항공기, 선박 등의 이동수단을 검사하는데 사용 될 수 있다. 또한, 뮤온 검출시스템(1)은 대상체(O)의 비파괴 검사 등에도 사용될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 뮤온 검출시스템을 개략적으로 보여주는 측면도이다.
도 1을 참조하면, 뮤온 검출시스템(1)은 제1뮤온 검출 어셈블리(10), 제2뮤온 검출 어셈블리(20) 및 출력모듈(30)을 포함한다.
제1뮤온 검출 어셈블리(10)는 적어도 하나 이상의 뮤온 검출기(100)로 이루어지는 검출층(11,22,23)이 복수 층으로 형성되고, 대상체(O) 쪽으로 입사되는 뮤온의 하전입자를 측정한다.
제2뮤온 검출 어셈블리(20)는 적어도 하나 이상의 뮤온 검출기(100)로 이루어지는 검출층(21,22,23)이 복수 층으로 형성되고, 대상체(O)에서 산란된 뮤온의 하전입자를 측정한다.
여기서, 검출층(11,12,13,21,22,23)은 각각의 뮤온 검출기(100)가 동일평면상에서 형성하는 층을 의미한다.
출력모듈(30)은 제1뮤온 검출 어셈블리(10) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(20)에 각각 연결되어, 검출된 뮤온의 하전입자(μ±)의 위치, 입사방향 및 에너지를 판별하여 대상체(O)의 형상을 출력한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 뮤온 검출기를 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도2를 참조하면, 뮤온 검출기(100)는 뮤온의 하전입자(μ±)가 통과하면 섬광물질이 방사선의 에너지를 흡수하였다가 10-8초 내에 다시 천이하면서 가시광선을 방출하고 이 가시광선을 검출하여 전기신호를 발생하여 뮤온의 하전입자(μ±)의 섬광체 내에서의 위치을 검출한다. 뮤온 검출기(100)는 섬광물질이 발생하는 빛의 효과적인 측정을 위해, 외부면에 외부의 빛을 차광하는 차광시트(미도시)를 구비될 수 있다. 뮤온 검출기(100)는 섬광체(110), 광증배관(120) 및 광유도부(130)를 포함한다.
섬광체(110)는 직사각형의 단면이 일 방향으로 연장된 바형상일 수 있다. 예를 들어, 섬광체(110)의 크기는 단면의 가로가 60mm이고, 세로가 20mm일 때, 길이가 1000mm로 구성될 수 있다. 이러한 섬광체(110)의 크기는 위치 분해능을 높이기 위한 최적의 크기일 수 있다.
다만, 이는 일 예시에 불과하며 섬광체(110)의 단면 형상 및 크기 등의 형상은 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
섬광체(110)는 내부에 섬광물질을 구비한다. 섬광물질은 뮤온의 하전입자(μ±)가 통과하면 빛을 발생시킨다. 섬광체(110)는 섬광물질에 따라 고체, 액체, 기체, 유기질 및 무기질의 형태가 있다. 이중 섬광물질은 플라스틱 계열의 NE102A, NE111A, Pilot U 등을 재질을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 플라스틱 계열의 섬광물질은 들뜸에너지를 신속하게 빛으로 전환하고, 투명하여 빛의 전달이 잘되며 방출되는 빛의 파장이 광증배관의 파장영역과 일치하고, 감쇠상수가 적다. 섬광물질에 방사선 에너지가 흡수됨에 따라 방출되는 가시광선의 양은 극히 미약하여 광증배관(120)을 이용하여 출력신호를 증폭할 필요가 있다.
광증배관(120)은 섬광체(110)의 양단에 구비되어, 섬광물질에서 발생한 빛이 입사되면 전기신호를 발생한다. 다시 말하면, 광증배관(120)은 빛을 전기신호를 바꾸는 장치이다. 광증배관(120)은 섬광체(110)로부터의 가시광선이 광증배관(120)의 광음극과 반응하여 생성되는 광전자가 순차적으로 높은 전압이 인가된 다단계의 다이노드를 거치는 과정에서 증배된다. 광증배관(120)은 최종적으로 양극에 포집되는 전자의 수는 초기 전자수보다 106배로 증가하여 이에 해당하는 전기신호 즉, 출력펄스를 형성한다.
광증배관(120)은 예를 들어, 원형 단면을 갖는 원통형상일 수 있다. 다만, 이는 일 예시에 불과하며 광증배관(120)의 단면 형상 및 크기 등의 형상은 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
여기서, 섬광체(110)와 광증배관(120)의 형상이 다르기 때문에, 섬광체(110)와 광증배관(120)의 결합부에서 형상 차이로 인한 빛의 투과율 손실이 발생할 수 있다. 광유도부(130)는 섬광체(110)와 광증배관(120) 사이에 구비되어서 섬광체(110)와 광증배관(120)을 연결함으로써 섬광체(110) 및 광증배관(120)의 형상 차이로 인한 빛의 투과율 손실을 감소시킨다. 광유도부(130)는 섬광체(110)와 연결되는 일단의 단면이 섬광체(110)의 단면과 동일한 형상으로 형성되고, 광증배관(120)과 연결되는 타단이 광증배관(120)의 단면과 동일하거나 작은 형상으로 형성된다. 광유도부(130)는 일단과 타단 사이에서 점차 형상이 변화되는 형상을 가져 섬광체(110)와 광증배관(120)을 매끄럽게 연결할 수 있다. 또한 광유도부(130)는 외면이 곡면, 즉, 일단과 타단 사이에서 단면 형상이 변화되는 부분이 곡면으로 형성된다. 다만, 이는 일 예시에 불과하며, 광유도부(130)의 형상은 섬광체(110)에서 발생한 빛이 광유도부(130)에서 전반사되어 광증배관(120)으로 투과율손실을 방지하며 입사가 이루어질 수 있는 다양한 형태로 변형이 가능할 수 있다.
예를 들어, 광유도부(130)는 섬광체(110)와 연결되는 일단의 단면이 섬광체(110)와 동일한 직사각형의 단면 형상으로 형성되고, 광증배관(120)과 연결되는 타단의 단면이 광증배관(120)과 동일하거나 작은 원형의 단면 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 광유도부(130)는 섬광체(110)에서 광증배관(120)으로 갈수록 직사각형에서 원형으로 형상이 점차 변화되는 형상을 가질 수 있다. 다만, 이는 일 예시에 불과하며 광유도부(130)의 형상은 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
광유도부(130)의 섬광체(110)와 연결되는 일단의 단면은 섬광체(110)와 동일한 단면으로 형성되어야 광 전송의 문제가 발생하지 않는다. 다만, 광유도부(130)의 광증배관(120)과 연결되는 타단의 단면은 광증배관(120)보다 작은 단면 형상으로 형성되어도 광 전송의 문제가 발생하지 않기 때문에 작은 단면 형상도 가능하다.
광유도부(130)는 섬광체(110)에서 발생한 빛을 내부에서 전반사시켜 광증배관(120)으로 입사시킨다. 다시 말하면, 광유도부(130)는 내부가 빛을 전반사시키는 재질로 형성되어 섬광체(110)에서 발생한 빛을 전반사시킴으로서 투과율 손실 없이 광증배관(120)으로 입사시킨다. 예를 들어, 광유도부(130)는 아크릴레이트 재질일 수 있다. 아크릴레이트는 빛의 투과율 및 굴절률이 높고, 동일한 두께의 유리에 비해 15배 정도의 뛰어난 강도를 가지며, 무게는 유리의 1/2정도로 가볍다.
광유도부(130)는 섬광체(110)와 광증배관(120) 사이에서 광전도율을 높여서 뮤온 검출기(100)의 성능을 향상시킨다. 다시 말하면, 광유도부(130)는 투과율을 상승시키고, 뮤온 검출기(100)의 측정시간을 단축하여서 뮤온 검출기(100)의 성능을 향상시킨다.
이하에서는, 광유도부(130)의 "길이"라 함은, 섬광체(110)에 결합되는 일단과 광증배관(120)에 결합되는 타단 사이의 거리를 의미한다.
이하, 도 3을 참조하여, 광유도부(130)의 길이에 따른 투과율에 대해서 설명한다. 도 3은 일 실시 예에 따른 광유도부(130)의 길이에 따른 투과율을 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 광유도부(130)의 길이에 따른 투과율이 나타난다. 광유도부(130)의 길이가 10mm일 때는 오히려 투과율이 감소되는 것을 보이며, 광유도부(130)의 길이가 10mm~30mm 까지는 급격한 투과율의 증가를 보였다. 또한, 광유도부(130)의 길이가 30mm일 때부터 투과율이 96%를 넘어 투과율의 손실이 방지되었음을 확인할 수 있었다. 즉, 광유도부(130)의 길이가 30mm를 초과할 때, 투과율을 96%이상을 형성할 수 있고, 120mm까지 점차적으로 증가하여 투과율이 100%에 도달하는 것을 알 수 있었다.
또한, 광유도부(130)는 섬광체(110)의 길이와 상관없이 광유도부(130)의 길이가 120mm 이상인 경우에 투과율 100%에 도달하였다. 따라서, 광유도부(130)의 길이가 120mm 이상인 경우가 바람직하다. 특히, 광유도부(130)의 길이가 120mm이면 최소길이를 가지기 때문에 뮤온 검출기(100)의 길이를 최소화 할 수 있기 때문에, 광유도부(130)의 길이가 120mm 인 것이 더욱 바람직할 수 있다.
다만, 이는 일 예시에 불과하며 섬광체(110) 또는 광증배관(120)의 단면 형상 및 크기 등의 형상에 따라서 투과율 100%를 달성할 수 있는 광유도부(130)의 형상 또는 길이 또는 크기가 다양하게 변경이 가능하다.
다시 도1로 돌아와서, 제1뮤온 검출 어셈블리(10)와 제2뮤온 검출 어셈블리(20)는 일정한 간격을 가지고 배치되어 제1뮤온 검출 어셈블리(10)와 제2뮤온 검출 어셈블리(20)의 사이에 검출 영역을 형성한다. 제1뮤온 검출 어셈블리(10) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(20)는 각각의 뮤온 검출기(100)가 고정되는 패널(미도시) 또는 하우징(미도시) 구조를 포함하여 고정될 수 있다. 제1뮤온 검출 어셈블리(10)와 제2뮤온 검출 어셈블리(20)의 뮤온 검출기(100)는 상부에서 하부로 검출층(11,12,13,21,22,23)을 형성하며 배치된다. 검출층(11,12,13,21,22,23)은 각 검출층이 일정 높이로, 예를 들어 270mm로 이격되어 배치된다. 예를 들어, 제1뮤온 검출 어셈블리(10) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(20)는 검출층(11,12,13,21,22,23)이 3층으로 이루어질 수 있다. 다만, 이는 일 예시에 불과하며 제1뮤온 검출 어셈블리(10) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(20)를 구성하는 검출층의 수 및 검출층의 높이는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
제1뮤온 검출 어셈블리(10) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(20)는 각각의 검출층(11,12,13,21,22,23)에 적어도 하나 이상의 뮤온 검출기(100)가 구비된다. 제1뮤온 검출 어셈블리(10) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(20)는 일 검출층에 배치되는 뮤온 검출기의 길이방향과 타 검출층에 배치되는 뮤온 검출기의 길이 방향이 평행하게 배치된다. 예를 들어, 제1뮤온 검출 어셈블리(10)의 최상층에 위치한 검출층(11)에 배치되는 뮤온 검출기는 바로 아래에 위치한 검출층(12)에 배치되는 뮤온 검출기와 길이 방향에 평행하게 배치될 수 있다.
제1뮤온 검출 어셈블리(10)에 배치된 뮤온 검출기(100)는 각 검출층(11,12,13)에 입사되는 뮤온의 하전입자(μ±)의 위치를 검출한다. 출력모듈(30)은 뮤온 검출기(100)의 섬광체(110)에 뮤온의 하전입자(μ±)가 통과할 때 발생하는 빛에 의한 섬광체(110)의 양단에 배치된 광증배관(120)의 검출신호 간의 시간간격을 측정함으로써 뮤온의 하전입자(μ±)의 위치를 측정한다. 또한, 출력모듈(30)은 각각의 검출층(11,12,13)에 배치된 뮤온 검출기(100)를 통과하는 뮤온의 하전입자(μ±)의 위치로 뮤온의 하전입자(μ±)의 입사 궤적을 측정한다. 제1뮤온 검출 어셈블리(10)를 통과한 뮤온의 하전입자(μ±)는 대상체(O)가 위치하는 검출영역으로 통과하고, 대상체(O)에 의존하여 산란된다.
제2뮤온 검출 어셈블리(20)에 배치된 뮤온 검출기(100)는 대상체(O)를 통과하여 출사되는 뮤온의 하전입자(μ±)의 섬광체(110)내에서의 위치를 검출한다. 출력모듈(30)은 입사 뮤온의 하전입자(μ±)를 측정하는 방법과 동일한 방법으로 뮤온의 하전입자(μ±)의 위치 및 궤적을 측정한다.
출력모듈(30)은 산란되어 출사 궤적이 변형되는 뮤온의 하전입자(μ±)의 궤적을 제1뮤온 검출 어셈블리(10) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(20)에서 검출함으로써 대상체(O)에 의한 뮤온의 산란각(scattering angle)을 계산한다. 출력모듈(30)은 제1뮤온 검출 어셈블리(10)에 의한 입사 뮤온의 측정된 신호들 및 제2뮤온 검출 어셈블리(20)에 의한 출사 뮤온(μ±)들에 대한 측정된 신호들의 데이터를 처리하여, 측정된 입사 및 출사 위치들 및 방향들에 기초하여 검사영역에서의 뮤온 산란을 분석하여 단층촬영 프로파일을 출력할 수 있다.
도 4를 참조하면, 출력모듈(30)은 판별부(31), 시간-디지털 변환부(32), 동시계수부(33), 아날로그-디지털 변환부(34) 및 게이트부(35)를 포함할 수 있다.
판별부(31)는 광증배관(120)에서 발생된 전기신호에서 노이즈 성분을 제거하여 뮤온의 검출 신호만을 판별하고, 디지털 신호로 변환한다. 예를 들어, 판별부(31)는 파고선별기일 수 있다. 판별부(31)는 광증배관(120)에서 발생된 전기신호 중 잡은 또는 자연방사능에 의한 전기신호를 선별하여 제거함으로써 뮤온의 검출 신호만을 판별하여 디지털 신호로 변환한다.
시간-디지털 변환부(time-to-digital converter, TDC)(32)는 변환된 뮤온의 디지털 신호 중 하나의 섬광체(110)의 양단에 배치된 한 쌍의 광증배관(120)의 뮤온의 검출신호 간의 신호가 발생된 시간간격을 측정한다. 시간-디지털 변환부(32)는 측정된 시간 및 뮤온의 검출신호가 발생된 뮤온 검출기(100)를 디지털 신호에 등록한다.
동시계수부(33)는 상기 변환된 디지털 신호 중 복수의 뮤온 검출기(100)에서 뮤온의 검출신호가 동시 또는 일정 시간 내에 도달된 디지털 신호를 검출한다. 다시 말하면, 동시계수부(33)는 각각의 뮤온 검출기(100)를 통과하며 검출신호를 발생하는 하나의 뮤온의 하전입자에 대한 궤적을 판별할 수 있도록, 하나의 뮤온의 하전입자가 통과하는 복수의 뮤온 검출기(100)에서 검출되는 디지털 신호를 검출하는 것이다.
아날로그-디지털 변환부(analogue-to-digital converter, ADC)(33)는 광증배관(120)에서 발생되는 전기신호의 전류 펄스를 식별하여, 전류 임계치들의 교차점에 대응하는 디지털 레벨들로 변환한다. 아날로그-디지털 변환부(34)에서 변환되는 디지털 레벨들은 뮤온(μ±)의 에너지량이다. 아날로그- 디지털 변환부(34)에서 변환되는 디지털 레벨들을 비교함으로써 뮤온이 대상체(O)에서 산란되어 출사되었을 때, 에너지 변환량을 계산하여 대상체(O)의 밀도를 측정할 수 있다.
게이트부(35)는 시간-디지털 변환부(32)에서 측정되는 시간 간격으로 각 섬광체(110)에서의 뮤온의 위치를 판별하고, 동시계수부(33)에서 검출된 디지털 신호를 뮤온의 위치의 디지털 신호에 마킹하여 뮤온(μ±)이 각 검출층(11,12,13,21,22,23)의 섬광체(110)를 통과하는 궤적을 판별하고, 아날로그- 디지털 변환부(34)에서 디지털 레벨들로 대상체(O)의 밀도를 판별하여 대상체(O)의 형상을 출력한다.
예를 들어, 게이트부(35)는 시간-디지털 변환부(32)에서 측정하는 뮤온의 검출신호 간의 시간간격을 따라 뮤온이 섬광체(110)에 입사되는 위치를 판별한다. 또한, 동시계수부(33)에서 검출된 디지털 신호로 동일한 뮤온에 대한 섬광체(110) 입사 위치를 판단하여, 뮤온이 뮤온 검출시스템(1)을 통과하는 궤적을 판별한다. 또한, 게이트부(35)는 아날로그-디지털 변환부(34)에서 변환되는 디지털 레벨을 판별하여 동일한 뮤온이 대상체에서 산란되며 형성하는 에너지 변환량을 측정하여 대상체(O)의 밀도를 판별한다.
즉, 게이트부(35)는 뮤온 검출기(100)의 전기신호에 기초하여, 뮤온의 궤적을 재구성하고, 입사 뮤온의 에너지 변환량을 측정하여 대상체(O)의 형상에 대한 단층 프로파일을 형성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 뮤온 검출시스템(2)에 대해 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5를 참조하면, 뮤온 검출시스템(2)은 제1뮤온 검출 어셈블리(40), 제2뮤온 검출 어셈블리(50) 및 출력모듈(30)을 포함한다. 제1뮤온 검출 어셈블리(40) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(50)는 각각의 뮤온 검출기(100)가 고정되는 패널(미도시) 또는 하우징(미도시) 구조를 포함하여 고정될 수 있다.제1뮤온 검출 어셈블리(40) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(50)는 각각의 검출층(41,42,43,51,52,53)에 배치되는 뮤온 검출기(100)가 복수로 배치된다. 그리고, 제1뮤온 검출 어셈블리(40) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(50)는 각각의 검출층(41,42,43,51,52,53)에 배치되는 복수의 뮤온 검출기(100)가 각각 동일한 검출층(41,42,43,51,52,53)에 위치한 뮤온 검출기(100)와 길이방향에 평행하게 배치된다. 또한, 제1뮤온 검출 어셈블리(40) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(50)는 각각의 검출층(41,42,43,51,52,53)이 이루는 평면은 평행하게 배치되며, 각각의 검출층(41,42,43,51,52,53)에 배치되는 복수의 뮤온 검출기는 인접한 다른 검출층에 배치되는 복수의 뮤온 검출기(100)와 수직하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1어셈블리의 최상층에 위치한 검출층(41)에 배치된 뮤온 검출기는 바로 아래에 배치된 검출층(42)에 배치된 뮤온 검출기(100)와 길이방향이 수직하게 배치될 수 있다. 다만, 최상층에 위치한 검출층(41)이 형성하는 평면과 바로 아래에 배치된 검출층(42)이 형성하는 평면은 평행하게 배치된다. 또한, 최상층의 바로 아래에 배치된 검출층(42)의 뮤온 검출(100)기는 그 아래의 배치된 검출층(43)의 뮤온 검출기(100)와 길이방향에 수직하게 배치된다.
제1뮤온 검출 어셈블리(40) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(50)는 상호 동일한 뮤온 검출기(100)의 배치를 가지며 형성될 수 있다. 제1뮤온 검출 어셈블리(40) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(50)는 각각 3개의 층으로 형성되고, 각각의 검출층(41,42,43,51,52,53)은 뮤온 검출기(100)가 각각 교번적으로 수직하게 배치된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 뮤온 검출기(100)의 배치는 검출 효율을 위해 변경이 가능할 수 있다.
제1뮤온 검출 어셈블리(40) 및 제2뮤온 검출 어셈블리(50)는 일 실시 예와 마찬가지로 대상체(O)가 위치하는 검출영역으로 뮤온이 입사되어 대상체(O)에서 산란되는 뮤온을 측정한다. 출력모듈(30)은 각각의 광증배관에 연결되어, 뮤온(μ±)의 궤적을 재구성하고, 뮤온(μ±)의 운동량을 측정하여 대상체(O)의 3D프로파일을 출력할 수 있다. 출력모듈(30)의 구성은 일 실시 예와 동일한 구성요소를 포함하고 있으므로, 설명을 생략한다.
뮤온 검출시스템(1)은 뮤온 검출기(100)가 각 검출층에 복수로 배치되어 각각의 검출층에서의 뮤온의 검출 이벤트를 증가시킬 수 있다. 또한, 뮤온 검출시스템(1)은 출력모듈(30)이 대상체(O)의 수직과 수평에 대한 뮤온의 궤적 및 뮤온의 에너지 변환량을 측정하여 대상체(O)의 체적의 산란 밀도의 공간적 분포를 결정할 수 있어서, 대상체(O)의 3D프로파일을 출력할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
1,2: 뮤온 검출시스템
10,40: 제1 뮤온 검출 어셈블리
11,12,13,21,22,23,41,42,43,51,52,53: 검출층
100: 뮤온 검출기
110: 섬광체
120: 광증배관
130: 광유도부
20, 50: 제2뮤온 검출 어셈블리
30: 출력모듈
31: 판별부
32: 시간-디지털 변환부
33: 동시계수부
34: 아날로그-디지털 변환부
35: 게이트부

Claims (9)

  1. 뮤온의 하전입자가 통과하면 빛을 발생시키는 섬광물질을 구비하는 섬광체;
    상기 섬광체의 양단에 구비되어, 상기 섬광물질에서 발생한 빛이 입사되면 전기신호를 발생하는 광증배관; 및
    상기 섬광체와 상기 광증배관 사이에 30mm 내지 120mm의 길이로 구비되어서 상기 섬광체와 상기 광증배관을 연결하고, 상기 섬광체에서 발생한 빛이 전반사되어 상기 광증배관으로 입사되는 광유도부;
    를 포함하는 뮤온 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광유도부는,
    상기 섬광체와 연결되는 일단의 단면이 상기 섬광체의 단면과 동일한 형상으로 형성되고,
    상기 광증배관과 연결되는 타단의 단면이 상기 광증배관의 단면과 동일하거 작은 형상으로 형성되는 뮤온 검출기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 섬광체의 단면과 상기 광증배관의 단면은 서로 다른 형상을 갖고,
    상기 광유도부는 상기 일단과 타단 사이에서 점차 형상이 변화되는 형상을 갖는 뮤온 검출기.

  4. 적어도 하나 이상의 뮤온 검출기로 이루어지는 검출층이 복수 층으로 형성되고, 대상체 쪽으로 입사되는 뮤온의 하전입자를 측정하는 제1뮤온 검출 어셈블리;
    적어도 하나 이상의 뮤온 검출기로 이루어지는 검출층이 복수 층으로 형성되고, 상기 대상체에서 산란된 뮤온의 하전입자를 측정하는 제2뮤온 검출 어셈블리; 및
    상기 제1뮤온 검출 어셈블리 및 상기 제2뮤온 검출 어셈블리에 각각 연결되어, 검출된 뮤온의 하전입자의 위치, 궤적 및 에너지를 판별하여 상기 대상체의 형상을 출력하는 출력모듈;
    을 포함하고,
    상기 뮤온 검출기는,
    뮤온의 하전입자가 통과하면 빛을 발생시키는 섬광물질을 구비하는 섬광체;
    상기 섬광체의 양단에 구비되어, 상기 섬광물질에서 발생한 빛이 입사되면 전기신호를 발생하는 광증배관; 및
    상기 섬광체와 상기 광증배관 사이에 30mm 내지 120mm의 길이로 구비되어서 상기 섬광체와 상기 광증배관을 연결하고, 상기 섬광체에서 발생한 빛이 전반사되어 상기 광증배관으로 입사되는 광유도부;
    를 포함하는 뮤온 검출시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광유도부는,
    상기 섬광체와 연결되는 일단의 단면이 상기 섬광체의 단면과 동일한 형상으로 형성되고,
    상기 광증배관과 연결되는 타단의 단면이 상기 광증배관의 단면과 동일하거나 작은 형상으로 형성되는 뮤온 검출시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 섬광체의 단면과 상기 광증배관의 단면은 서로 다른 형상을 갖고,
    상기 광유도부는 상기 일단과 타단 사이에서 점차 형상이 변화되는 형상을 갖는 뮤온 검출시스템.

  7. 제4항에 있어서,
    상기 출력모듈은,
    상기 뮤온 검출기의 광증배관에서 발생된 전기신호에서 노이즈 성분을 제거하여 뮤온의 검출 신호만을 판별하여 디지털 신호로 변환하는 판별부;
    상기 변환된 디지털 신호 중, 각각의 뮤온 검출기에서 한 쌍의 광증배관에서 발생되는 뮤온의 검출신호 간의 시간차를 산출하는 시간-디지털 변환부;
    상기 변환된 디지털 신호 중 복수의 뮤온 검출기에서 뮤온의 검출신호가 동시 또는 일정 시간 내에 발생된 디지털 신호를 검출하는 동시계수부;
    상기 광증배관에서 발생되는 전기신호의 전류 펄스를 식별하여, 전류 임계치들의 교차점에 대응하는 디지털 레벨들로 변환하는 아날로그-디지털 변환부; 및
    상기 시간-디지털 변환부에서 산출되는 시간차로 각 뮤온이 각 섬광체에 입사하는 입사 위치를 판별하고, 상기 동시계수부에서 검출된 디지털 신호에서 각 뮤온이 상기 각 섬광체를 통과하는 입사 위치를 판별하여 뮤온의 궤적을 산출하고, 상기 디지털 레벨의 변화량으로 상기 대상체의 밀도를 판별하여 상기 대상체의 형상을 출력하는 게이트부;
    를 포함하는 뮤온 검출시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    제1뮤온 검출 어셈블리 및 제2뮤온 검출 어셈블리는,
    일 검출층에 배치되는 상기 뮤온 검출기의 길이방향과 타 검출층에 배치되는 뮤온 검출기의 길이 방향이 평행하게 배치되는 뮤온 검출시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    제1뮤온 검출 어셈블리 및 제2뮤온 검출 어셈블리는,
    각각의 검출층에는 복수의 뮤온 검출기가 그 길이방향으로 서로 평행하게 배치되고,
    각각의 검출층은 서로 평행하게 배치되되, 서로 인접하는 검출층은 뮤온 검출기의 길이 방향이 서로 수직하게 교차하도록 배치되는 뮤온 검출시스템.
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KR20250026004A (ko) 2023-08-16 2025-02-25 연세대학교 원주산학협력단 다층의 1차원 배열 검출기를 이용한 뮤온 궤적 측정 및 영상획득 방법

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