KR102062450B1 - A radiation detecting device usnig multi-photo-diode and a radiation detecting method usnig multi-photo-diode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정장치 및 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특정 형광체가 방사선에 반응하여 빛을 내는 점을 이용한 광다이오드 방식의 방사선 검출기에서, 높은 에너지에 잘 반응하는 대형 광다이오드와 낮은 에너지에 잘 반응하는 소형 광다이오드를 다수 결합하고, 각각의 광다이오드에 대하여 특정 에너지에 반응하도록 개별적으로 감도를 설정하고, 각각의 광다이오드에서 형광 측정을 읽을 수 있도록 하여 다양한 에너지의 방사선 성분을 검출할 수 있도록 하는 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정장치 및 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 자연계에 존재하는 알파선, 베타선, 감마선, X-ray, 중성자 등의 다양한 방사선 에너지를 하나의 반도체 센서로 측정이 가능하며, 방사선의 에너지에 따른 핵종 분석까지 가능해지며, 이로 인해 반도체 센서의 대량 생산이 가능하게 되므로, 생산가격이 하락하게 되고, 방사능 검출기의 보급이 확산되어 안전한 사회를 만드는데 기여할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a radiation measuring apparatus using multiple photodiodes and a radiation measuring method using multiple photodiodes, and more particularly, in a photodiode radiation detector using a point where a specific phosphor emits light in response to radiation, Combine large photodiodes that respond well to energy with small photoresists that respond well to low energy, set sensitivity individually for each photodiode to respond to specific energy, and read fluorescence measurements on each photodiode The present invention relates to a radiation measuring apparatus using multiple photodiodes and a radiation measuring method using multiple photodiodes to enable the detection of radiation components of various energies.
According to the present invention, various radiation energies such as alpha rays, beta rays, gamma rays, X-rays, neutrons, etc. existing in the natural world can be measured by a single semiconductor sensor, and nuclide analysis according to the energy of radiation is possible. Since the mass production of is possible, the production price is lowered, and the spread of the radiation detector is spread, and there is an effect that can contribute to creating a safe society.
Description
본 발명은 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정장치 및 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특정 형광체가 방사선에 반응하여 빛을 내는 점을 이용한 광다이오드 방식의 방사선 검출기에서, 높은 에너지에 잘 반응하는 대형 광다이오드와 낮은 에너지에 잘 반응하는 소형 광다이오드를 다수 결합하고, 각각의 광다이오드에 대하여 특정 에너지에 반응하도록 개별적으로 감도를 설정하고, 각각의 광다이오드에서 형광 측정을 읽을 수 있도록 하여 다양한 에너지의 방사선 성분을 검출할 수 있도록 하는 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정장치 및 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a radiation measuring apparatus using multiple photodiodes and a radiation measuring method using multiple photodiodes, and more particularly, in a photodiode radiation detector using a point where a specific phosphor emits light in response to radiation, Combine large photodiodes that respond well to energy with small photoresists that respond well to low energy, set sensitivity individually for each photodiode to respond to specific energy, and read fluorescence measurements on each photodiode The present invention relates to a radiation measuring apparatus using multiple photodiodes and a radiation measuring method using multiple photodiodes to enable the detection of radiation components of various energies.
방사선 센서들은 검출 방식에 따라, 기체 전리 작용을 이용한 센서, 고체 전리 작용을 이용한 센서, 여기 작용을 이용한 센서 등으로 나누어진다.Radiation sensors are classified into sensors using gas ionization, sensors using solid ionization, and sensors using excitation.
기체 전리 작용 센서는 또한 전리 방식에 따라 전리 함(Ion Chabmer), 비례 계수관(propotional counter) 및 GM 계수관(Geiger Muller counter)으로 구분되며, 고체 전리 방식의 반도체 방식의 센서는 PN 접합형 및 표면 장벽형으로 구분된다.The gas ionization sensor is also divided into ion chabmer, proportional counter, and GM muller counter according to the ionization method, and the solid-state ionization semiconductor sensor is a PN junction and surface barrier. Are divided into types.
기체 전리 작용을 이용한 가스형 검출기는 가장 오래 사용되었고, 현재도 광범위하게 사용되는 방사선 검출 방식이다. 이는 하전 입자가 가스를 통과할 때 발생되는 효과에 기초를 둔 것이다. 실린더 형대로 구성된 가스형 검출기는 중앙에 양극이 연결되고 실린더 벽은 음극으로 연결된다. 방사선이 검출 센서에 입사되면 가스를 전리시켜 전자와 양이온, 즉 이온 쌍을 생성한다. 이때 검출기의 양이온은 음극으로 전자는 양극으로 이동하게 되며 전자와 양이온이 전극에 포집됨에 따라 전류가 흐르고 이 전류를 측정함으로써 방사선을 검출한다. 센서에 입사되는 방사선의 준위가 높을수록 더 많은 전류가 흐르게 된다.Gas-type detectors using gas ionization are the longest used and are still widely used radiation detection methods. This is based on the effect that occurs when charged particles pass through the gas. The gas detector configured in the form of a cylinder has an anode connected to the center and a cylinder wall connected to the cathode. When radiation enters the detection sensor, the gas is ionized to produce electrons and cations, ie ion pairs. At this time, the cation of the detector moves to the cathode, and the electron moves to the anode. As electrons and cations are collected on the electrode, current flows and the radiation is detected by measuring the current. The higher the level of radiation incident on the sensor, the more current flows.
이러한 기체 전리 작용을 이용한 가스형 검출기는 전압 인가 및 그에 따른 이온포화 등의 효과에 따라 다시 구분되는데, 낮은 전압으로 최초의 이온 쌍의 전하만을 측정하게 되는 이온 챔버형, 더 높은 전압을 인가하여 이온 쌍의 재결합이 억제되는 이온포화영역을 지나 가스 증배를 이용한 비례계수관 방식, 마지막으로 비례계수관 방식 보다도 더 높은 전압을 인가하여 비선형 효과를 이용한 GM 계수관으로 구분된다.The gas detector using the gas ionization is further divided according to the effect of voltage application and ion saturation. The ion chamber type, which measures only the charge of the first ion pair at a low voltage, is applied by applying a higher voltage. It is divided into proportional counter system using gas multiplication through ion saturation zone where pair recombination is suppressed, and finally GM counter using nonlinear effect by applying a higher voltage than proportional counter system.
고체 전리 방식인 반도체 방식의 센서는 고체의 밀도가 기체의 밀도에 비해 매우 크기 때문에 고에너지 전자와 감마선을 측정하는 경우로 볼 때 고체검출기는 같은 특성의 가스 검출기에 비해 작게 설계할 수 있다. 하지만 반도체 검출기는 열적 여기에 의해 반도체 검출기에 항상 미량의 전류가 흐르기 때문에 사용시 액체 질소 등으로 냉각시켜 주어야 한다.Solid state ionization type semiconductor sensor has a high density of solids compared to gas density, so solid state detectors can be designed smaller than gas detectors having the same characteristics when measuring high energy electrons and gamma rays. However, since the semiconductor detector always has a small amount of current flowing through the semiconductor detector due to thermal excitation, it should be cooled with liquid nitrogen.
반도체 방식의 센서는 원자가전자대에 있던 전자가 전도대로 이동하면 원자가전자대에는 정공이라 부르는 전자의 빈자리가 만들어지는데, 이는 양전자 효과를 낸다. 반도체에서 전자, 정공 쌍을 만드는데 필요한 에너지는 2.9eV ~ 3.6eV 정도로 기체 30eV 정도에 비해 상당히 작으므로 동일한 에너지의 방사선에 대해서 생성되는 정보 전달자가 많아 출력 펄스가 커진다. 따라서 입사 방사선의 에너지 분해능이 우수하다. 또한 밀도가 크기 때문에 방사선의 검출 효율 또한 우수한 특징이 있다.In semiconductor sensors, when electrons in the valence band move to the conduction band, vacancies called holes are created in the valence band, which produces a positron effect. The energy required to create electron and hole pairs in semiconductors is 2.9 eV to 3.6 eV, which is considerably smaller than gas 30 eV, so that many information carriers are generated for radiation with the same energy. Therefore, the energy resolution of incident radiation is excellent. In addition, because of the high density, radiation detection efficiency is also excellent.
여기작용을 이용한 센서는 특정 종류의 물질 중에서 발생되는 형광에 의해 이온화된 방사선을 검출하는 방법으로 방사선의 에너지를 흡수하였을 때 원자가전자대에 있던 전자가 전도대로 여기 되었다가 다시 천이하면서 가시광선 방출하는 물질, 즉 형광체(scintillator)를 사용하는 센서이다. 사용하는 형광 물질에 따라 고체, 액체, 기체 또는 유기질, 무기질 등의 형태로 나눈다. 이러한 여기 방식의 센서는 형광물질에 방사선의 에너지가 흡수됨에 따라 방출되는 가시광선의 양은 극히 미약하기 때문에 광증배관 등을 이용하여 출력 신호를 증폭시킬 필요성이 있다. 따라서 에너지 분해능이 반도체 검출기 보다 떨어지게 된다.The excitation sensor is a method of detecting radiation ionized by fluorescence generated from a specific kind of material. When the energy of the radiation is absorbed, the electrons in the valence band are excited to conduction bands, and then transition back to emit visible light. It is a sensor that uses a substance, or a scintillator. Depending on the fluorescent material used, it is divided into solid, liquid, gas or organic, inorganic and the like. This type of excitation sensor is required to amplify the output signal using a light multiplier tube because the amount of visible light emitted as the energy of the radiation absorbed by the fluorescent material is extremely small. Therefore, the energy resolution is lower than that of the semiconductor detector.
앞에서 언급한 세 가지 기존 기술들은 각기 서로 다른 장단점을 가지고 있는데 우선 기체 전리작용을 이용한 센서들은 GM 계수기를 제외하면 에너지 분해 능력이 좋아 핵종을 구분할 수 있다는 장점이 있지만 가스 충전 등에 따른 구조가 복잡해 지고 센서의 크기가 커지는 단점이 있다. 고체 전리 방식인 반도체 방식은 비교적 작은 크기로 제작이 가능하지만 열에 의한 여기에 의해 액체질소 등으로 냉각해 주어야 한다는 단점이 있다.Each of the three existing technologies mentioned above has different advantages and disadvantages. First of all, sensors using gas ionization have the advantage of distinguishing nuclides due to their high energy decomposability except GM counter. There is a disadvantage in that the size increases. The semiconductor method, which is a solid ionization method, can be manufactured in a relatively small size, but has a disadvantage of cooling with liquid nitrogen due to heat excitation.
마지막으로 형광체에 의한 센서는 형광체의 종류에 따라 다양한 응용이 가능하지만 형광 자체가 너무 약하기 때문에 사용하게 되는 광증폭기 등의 영향으로 에너지에 대한 분해능이 떨어져 핵종의 구분이 어렵다.Lastly, sensors based on phosphors can be used for various applications depending on the type of phosphor. However, due to the effects of optical amplifiers, which are used because the fluorescence itself is too weak, resolution of energy is difficult to distinguish the nuclides.
형광체에 방사선을 조사한 후 가열하면 빛이 나오는 현상을 이용한 선량계로 병원 등에서 법정 개인형 선량계로 많이 사용하고 있는 열형광선량계(TLD)가 있다. 열형광 선량계는 형광물질을 통한 빛을 이용한다는 점은 여기방식의 형광체 방식과 유사하다. 또한 방사선 종류의 구분이 가능하고 측정 범위가 넓고 밀봉을 잘하게 되면 퇴행현상도 거의 없앨 수 있다는 장점을 가지고 있지만 빛을 발생하기 위해 별도의 시설로 보내져 가열하면서 검출해야 한다는 단점이 있다. 그리고 이러한 검출이 방사선에 노출된 이후 수 일 또는 수 개월 이후에나 가능하다는 단점이 있다.There is a thermofluorescence dosimeter (TLD), which is widely used as a statutory personal dosimeter in hospitals. The thermofluorescence dosimeter uses light through a phosphor, similar to the excitation phosphor. In addition, the radiation type can be distinguished, the measurement range is wide, and the sealing is good, so that the degeneration phenomenon can be almost eliminated. However, it has to be sent to a separate facility to generate light to be detected while heating. The disadvantage is that such detection is possible only days or months after exposure to radiation.
이와 같은 여러 가지 방식의 방사능 센서 중에서 형광체 방식의 방사능 검출기에 대해서 상세하게 설명한다.Among such various types of radiation sensors, the radiation detector of the phosphor type will be described in detail.
도 1은 광다이오드를 이용한 방사선측정장치의 구조를 나타낸 개념도이며, 도 2는 도 1의 방사선측정장치의 내부 구조를 나타낸 블럭도이다.1 is a conceptual diagram showing the structure of a radiation measuring apparatus using a photodiode, Figure 2 is a block diagram showing the internal structure of the radiation measuring apparatus of FIG.
도 1을 보면, 특정한 에너지를 가진 방사선이 형광체(11)에 부딪히면서 빛을 낸다. 광다이오드(12)는 이 빛을 측정하여 방사선을 검출한다. 이때 측정하고자 하는 방사선원(Radiation Source)의 에너지 및 측정 목적에 맞도록 광다이오드(12)와 형광체(11)의 재질 및 크기 등을 설계하여 제작하는 것이 일반적이다. 예를 들어 662keV의 에너지를 가진 Cs-137의 감마 방사선을 검출하기 위해서는 Nal(TI) (Thallium-doped sodium iodide) 형광체를 사용하는 것이 적합하다.Referring to FIG. 1, radiation having a specific energy strikes the
광다이오드(12)의 크기는 측정하고자 하는 방사선의 양 및 목적에 따라 달라지는데, 이는 큰 다이오드는 반응 시간이 빠르지 않지만, 핵종의 구별에 유리하고, 큰 에너지를 가지고, 낮은 방사선량을 검출하는 데 적합하기 때문이다. 그리고, 작은 다이오드는 반응 시간이 빠르고, 적은 에너지를 가지며, 높은 방사선량을 검출하는데 적합하다. 이는 작은 다이오드는 빠르게 충전 및 방전이 가능하여 빠른 반응이 가능하지만 높은 에너지의 방사선에 대해서는 빨리 포화되기 때문에 측정에 어려움이 있기 때문이다. 따라서 기존에는 측정하고자 하는 방사선 에너지 대역 및 사용 목적에 맞도록 설계된 방사선 센서를 해당 목적에만 사용하는 것이 일반적이어서 다양한 방사선 에너지 대역 및 측정 용도에 맞는 다양한 크기와 재질의 방사능 센서가 필요하다.The size of the
광다이오드를 이용한 측정장치에서는 방사선에 의해 형광체(11)에서 발생된 빛이 광다이오드(12)에 도달하면 광다이오드(12)의 출력 신호에 변화가 생겨 미세한 파형이 생성된다. 이러한 미세 신호가 검출부(13) 내부의 증폭기(13a)를 거쳐 증폭되면 보다 분석이 용이한 형태로 파형이 커진다.In the measuring device using the photodiode, when light generated from the
그리고 증폭기(13a)의 출력 파형을 원하는 설정값과 비교하여 디지털화한다. 예를 들어 증폭기(13a)의 출력 파형과 ref1이나 ref2, ref3으로 설정된 값을 비교기(13c-1, 13c-2, 13c-3)를 통해 디지털화하면, ref1보다 작은 전압은 제1비교기(13c-1)에서 0으로, ref1보다 큰 전압은 제1비교기(13c-1)에서 1로 디지털화할 수 있다(211).The output waveform of the
또한 제2비교기(13c-2)는 ref2보다 작은 전압은 0으로, ref2보다 큰 전압은 1로 디지털화하며, 제3비교기(13c-3)는 ref3보다 작은 전압은 0으로, ref3보다 큰 전압은 1로 디지털화한다.In addition, the
이러한 디지털 출력을 일정한 기간 동안 연속측정하면 각각의 계수기(13d-1 13d-2, 13d-3)를 통해 몇 번 1이 발생하였는지를 수치화할 수 있다.If the digital output is continuously measured for a certain period, it is possible to quantify how
방사선은 방사선원(radiation source)에 따라 2차 에너지 파형이 있는 경우가 많은데, 이러한 2차 파형을 분석하기 위해서는 비교기가 2개 이상 있어야 한다. 예를 들어 감마선의 일종인 Co-60의 경우 1차 에너지 피크는 1173keV이고 2차 에너지 피크는 1332keV이다. 따라서 1차와 2차의 에너지를 동시에 검출 및 비교하기 위해서는 비교기가 2개 이상 있어야 한다. 그리고 마지막 단계로 각 계수기(13d-1 13d-2, 13d-3)의 출력을 합하기 위해 멀티플렉서(13e)를 통과하면 최종적인 디지털 센싱 데이터를 생성할 수 있다.Radiation often has secondary energy waveforms depending on the radiation source. To analyze these secondary waveforms, two or more comparators are required. For example, Co-60, a type of gamma ray, has a primary energy peak of 1173 keV and a secondary energy peak of 1332 keV. Therefore, two or more comparators are required to simultaneously detect and compare the energy of the primary and secondary. In the last step, the final digital sensing data may be generated by passing through the
이와 같은 반도체 측정장치를 실제 제품으로 구현하기 위해서는 몇 가지 핵심적인 기술이 요구된다. 우선 광다이오드(12)는 빛을 최대한 수용하기 위해 저조도에서 인식이 가능하도록 설계해야 하고, 순수한 빛 신호만 검출을 보장하기 위해 주변 빛을 차단하도록 설계하는 것도 필요하다. 검출부(13)는 아주 작은 신호를 다루기 용이한 수준까지 증폭하는 역할을 하는데, 이때 잡음(noise)을 제거하면서 순수 신호만을 최대한 증폭하는 것이 중요하며, 또한 저전압대역과 고전압대역에서 일정하게 증폭하는 선형성(linearity)도 중요하다.In order to implement such a semiconductor measuring device into a real product, some core technology is required. First, the
비교기(13c-1, 13c-2, 13c-3)와 계수기(13d-1, 13d-2, 13d-3), 멀티플렉서(13e)는 디지털 회로이므로, 아날로그 회로인 광다이오드(12)와 증폭기(13a)에 영향을 주는 잡음 생성을 최소화하도록 설계하는 것이 중요하다.Since the
이와 같이 종래의 기술은 방사선 검출을 위해 하나의 형광체(11)와 광다이오드(12), 검출부(13)를 이용해 신호를 검출하고 비교하는 회로를 이용한다. 이러한 방식은 오랫동안 사용되어 안정적으로 평가받지만, 다양한 에너지를 가진 방사선 대역에 모두 사용할 수 없어서, 특정 방사선 대역에만 잘 반응하도록 특화된 센서로 사용되므로, 베타선, 감마선, 의료용 X-ray, 산업용 X-ray, 뉴트론 등 다양한 에너지 대역에 공통으로 사용할 수 있는 센서는 없는 실정이다.As described above, the conventional technique uses a circuit for detecting and comparing signals using one
다시 말해 의료용의 강한 엑스레이 방사능 검출을 대상으로 제작된 방사능 센서를 자연 방사선과 같은 저준위 방사능 검출에 사용하는 것은 어렵고, 반대로 낮은 방사선에 대한 측정을 목적으로 하는 센서를 의료용의 강한 엑스레이 방사선에 사용하는 것 또한 어렵다.In other words, it is difficult to use a radioactive sensor manufactured for the detection of strong X-ray radiation for medical use in the detection of low level radiation such as natural radiation. It is difficult.
또한 광다이오드(12)의 크기에 비례하여 다이오드의 정전용량(capacitance)이 커지는 현상이 발생하는데, 이로 인해 열잡음(thermal noise) 또한 비례하여 커지고, 이로 인해 방사선 검출 에너지 대역이 비례하여 높아지는 현상이 발생한다.In addition, a phenomenon in which the capacitance of the diode increases in proportion to the size of the
또한 광다이오드(12)의 크기에 비례하여 전하가 이동하는 시간이 비례하여 증가하는데, 이로 인해 반응 지연 시간이 비례하여 증가하므로, 다이오드가 커지면 빠른 응답을 필요로하는 고준위 방사능 검출에 실패하는 문제가 발생한다.In addition, the time that the charge moves in proportion to the size of the
따라서 단일한 크기의 광다이오드를 사용하면 검출할 수 있는 에너지 대역에 제한이 생기게 되고, 자연계의 다양한 방사능을 모두 검출할 수 있는 범용 방사능 센서를 만들 수 없게 된다.Therefore, the use of a single size photodiode limits the energy band that can be detected, and it is impossible to make a general-purpose radiation sensor capable of detecting all the various radiations in nature.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 하나의 실리콘 웨이퍼에 높은 에너지에 잘 반응하는 대형 광다이오드와 낮은 에너지에 잘 반응하는 소형 광다이오드를 다수 결합하고, 각각의 다이오드에 대하여 증폭기와 비교기, 계수기를 설치하여 방사선을 검출할 수 있는 수단을 구비하고, 각각의 광다이오드에 대하여 특정 에너지에 반응하도록 개별적으로 감도를 설정하고, 각각의 광다이오드에서 개별적으로 검출된 방사선값을 통합하여 분석하도록 하는 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정장치 및 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention combines a large number of large photodiodes and small photodiodes that respond well to high energy on a single silicon wafer, and for each diode, an amplifier, a comparator and a counter And a means for detecting radiation, and for setting the sensitivity individually to respond to a specific energy for each photodiode and integrating and analyzing the radiation values individually detected in each photodiode An object of the present invention is to provide a radiation measuring apparatus using a diode and a radiation measuring method using multiple photodiodes.
또한 광다이오드의 신호를 통합하여 분석할 때, 개별 광다이오드의 오류 및 고장 여부도 같이 판단하여 보다 정확한 방사선량을 검출할 수 있도록 하는 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정장치 및 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, when analyzing the integrated signal of the photodiode, the radiation measuring device using multiple photodiodes and the radiation measurement using multiple photodiodes to detect more accurate radiation dose by judging the error and failure of individual photodiodes together It is an object to provide a method.
전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 다른 크기의 광다이오드(120)를 다중으로 조합하여 방사선 검출 효율을 향상시키도록 하는 방사선측정장치로서, 방사선의 입력에 따라 빛을 내는 형광체(110)와; 상기 형광체(110)에서 발생하는 빛을 전기적인 신호로 변환하는 광다이오드(120)와; 상기 광다이오드(120)에서 전달되는 전기적인 신호를 분석하여 방사선량과 핵종을 파악하기 위한 정보를 산출하는 검출부(130);를 포함하며, 상기 광다이오드(120)는 상대적으로 크기가 큰 제1광다이오드(121)와, 상대적으로 크기가 작은 제2광다이오드(122)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention devised to solve the above problems is a radiation measuring device to improve the radiation detection efficiency by combining multiple sizes of
다른 실시예에 따른 본 발명은 다른 크기의 광다이오드(120)를 다중으로 조합하여 방사선 검출 효율을 향상시키도록 하는 방사선측정장치로서, 방사선의 입력에 따라 빛을 내는 형광체(110)와; 상기 형광체(110)에서 발생하는 빛을 전기적인 신호로 변환하는 광다이오드(120)와; 상기 광다이오드(120)에서 전달되는 전기적인 신호를 분석하여 방사선량과 핵종을 파악하기 위한 정보를 산출하는 검출부(130);를 포함하며, 상기 광다이오드(120)는 상대적으로 크기가 큰 제1광다이오드(121)와, 상기 제1광다이오드(121)보다 상대적으로 크기가 작은 제2광다이오드(122)와, 상기 제2광다이오드(122)보다 상대적으로 크기가 작은 제3광다이오드(123)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a radiation measuring device for improving radiation detection efficiency by combining multiple sizes of
상기 검출부(130)는 상기 제1광다이오드(121)로부터 전송되는 전기적인 신호를 수신하는 제1검출부(131)와, 상기 제2광다이오드(122)로부터 전송되는 전기적인 신호를 수신하는 제2검출부(132)로 이루어지며, 상기 제1검출부(131)는 제1증폭기(131a), 제1분배기(131b), 제1-1비교기(131c), 제1-2비교기(131d), 제1-1계수기(131e), 제1-2계수기(131f), 제1멀티플렉서(131g)로 이루어지며, 상기 제2검출부(132)는 제2증폭기(132a), 제2분배기(132b), 제2-1비교기(132c), 제2-2비교기(132d), 제2-1계수기(132e), 제2-2계수기(132f), 제2멀티플렉서(132g) 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The
상기 검출부(130)는 상기 제1광다이오드(121)로부터 전송되는 전기적인 신호를 수신하는 제1검출부(131)와, 상기 제2광다이오드(122)로부터 전송되는 전기적인 신호를 수신하는 제2검출부(132)와, 상기 제3광다이오드(123)로부터 전송되는 전기적인 신호를 수신하는 제3검출부(133)로 이루어지며, 상기 제1검출부(131)는 제1증폭기(131a), 제1분배기(131b), 제1-1비교기(131c), 제1-2비교기(131d), 제1-1계수기(131e), 제1-2계수기(131f), 제1멀티플렉서(131g)로 이루어지며, 상기 제2검출부(132)는 제2증폭기(132a), 제2분배기(132b), 제2-1비교기(132c), 제2-2비교기(132d), 제2-1계수기(132e), 제2-2계수기(132f), 제2멀티플렉서(132g) 로 이루어지며, 상기 제3검출부(133)는 제3증폭기(133a), 제3분배기(133b), 제3-1비교기(133c), 제3-2비교기(133d), 제3-1계수기(133e), 제3-2계수기(133f), 제3멀티플렉서(133g)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The
상기 제1검출부(131)에 포함된 상기 제1증폭기(131a)의 이득(gain) 설정값과 상기 제2검출부(132)에 포함된 상기 제2증폭기(132a)의 이득 설정값이 서로 상이하며, 상기 제1검출부(131)에 포함된 상기 제1-1비교기(131c) 및 상기 제1-2비교기(131d)의 비교기 설정값과 상기 제2검출부(132)에 포함된 상기 제2-1비교기(132c) 및 상기 제2-2비교기(132d)의 비교기 설정값이 서로 상이한 것을 특징으로 한다.The gain setting value of the
전술한 방사선측정장치(100)를 이용하여 복수의 에너지를 가진 방사선을 측정하는 방법으로서, 상기 방사선측정장치(100)에 포함된 형광체(110)에 방사선이 입력될 때 발생되는 빛을 광다이오드(120)가 감지하는 제1단계와; 검출부(130)가 서로 다른 크기의 다중 광다이오드(120)가 감지한 빛의 세기를 분류하여 측정하는 제2단계와; 상기 검출부(130)가 상기 다중 광다이오드(120)에서 감지되는 영역별 측정값을 생성하는 제3단계와; 방사선분석장치(150)가 상기 검출부(130)로부터 전송된 상기 영역별 측정값에 대한 편차와 편차의 합을 계산하는 제4단계와; 상기 방사선분석장치(150)가 상기 편차 및 상기 편차의 합으로부터 상기 방사선을 방출한 핵종을 결정하는 제5단계;를 포함한다.As a method of measuring radiation having a plurality of energies by using the above-described
상기 방사선분석장치(150)는 복수의 핵종에 대해서 영역별 측정값을 서로 비교하고, 상기 영역별 측정값에 대한 상기 편차 및 상기 편차의 합을 계산하고, 상기 편차의 합이 가장 작은 핵종을 상기 방사선을 방출한 핵종으로 결정하는 것을 특징으로 한다.The
본 발명에 따르면 자연계에 존재하는 알파선, 베타선, 감마선, X-ray, 중성자 등의 다양한 방사선 에너지를 하나의 반도체 센서로 측정이 가능하며, 방사선의 에너지에 따른 핵종 분석까지 가능해지며, 이로 인해 반도체 센서의 대량 생산이 가능하게 되므로, 생산가격이 하락하게 되고, 방사능 검출기의 보급이 확산되어 안전한 사회를 만드는데 기여할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, various radiation energies such as alpha rays, beta rays, gamma rays, X-rays, neutrons, etc. existing in the natural world can be measured by a single semiconductor sensor, and nuclide analysis according to the energy of radiation is possible. Since the mass production of is possible, the production price is lowered, and the spread of the radiation detector is spread, and there is an effect that can contribute to creating a safe society.
도 1은 광다이오드를 이용한 방사선측정장치의 구조를 나타낸 개념도.
도 2는 도 1의 방사선측정장치의 내부 구조를 나타낸 블럭도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방사선측정장치의 구조를 나타낸 사시도.
도 4는 다중 광다이오드의 배치의 예를 나타낸 평면도.
도 5는 다중으로 배치된 광다이오드와 검출부의 구조를 나타낸 블럭도.
도 6a 내지 6c는 제1검출부 내지 제3검출부의 내부 구조를 나타낸 블럭도.
도 7은 동일한 이득 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 방사선을 측정하는 방법을 나타낸 개념도.
도 8은 두 가지 이득 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 방사선을 측정하는 방법을 나타낸 개념도.
도 9는 네 가지 이득 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 방사선을 측정하는 방법을 나타낸 개념도.
도 10은 두 가지 이득 설정값과 두 가지 비교기 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 방사선을 측정하는 방법을 나타낸 개념도.
도 11은 동일한 비교기 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 불량 소자를 감지하는 방법을 나타낸 개념도.
도 12는 다른 비교기 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 불량 소자를 감지하는 방법을 나타낸 개념도.
도 13은 다중 광다이오드에 일련번호를 붙인 상태를 나타낸 평면도.
도 14는 각각의 광다이오드에서 측정되는 방사선량을 계산하는 방법을 나타낸 개념도.
도 15는 핵종별 에너지와 설정값을 나타낸 테이블.
도 16은 다중 광다이오드를 사용하여 방사선 핵종을 찾는 과정을 나타낸 순서도.1 is a conceptual diagram showing the structure of a radiation measuring apparatus using a photodiode.
2 is a block diagram showing the internal structure of the radiation measuring apparatus of FIG.
Figure 3 is a perspective view showing the structure of a radiation measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a plan view showing an example of the arrangement of multiple photodiodes;
5 is a block diagram showing the structure of a photodiode and a detector arranged in multiple.
6A to 6C are block diagrams illustrating the internal structure of the first to third detection units.
7 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring radiation using a photodiode having the same gain setting value.
8 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring radiation using a photodiode with two gain settings.
9 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring radiation using a photodiode with four gain settings.
10 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring radiation using a photodiode with two gain settings and two comparator settings.
FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating a method of detecting a bad device using a photodiode having the same comparator set value. FIG.
12 is a conceptual diagram illustrating a method of detecting a bad device using a photodiode having different comparator settings.
Fig. 13 is a plan view showing a state in which serial numbers are attached to multiple photodiodes;
14 is a conceptual diagram illustrating a method of calculating the radiation dose measured in each photodiode.
Fig. 15 is a table showing the nuclide type energy and the set value.
FIG. 16 is a flowchart illustrating a process of finding radionuclides using multiple photodiodes. FIG.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 "다중 광다이오드를 이용한 방사선측정장치 및 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정방법"을 설명한다.Hereinafter, a "radiation measuring apparatus using multiple photodiodes and a radiation measuring method using multiple photodiodes" according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방사선측정장치의 구조를 나타낸 사시도이며, 도 4는 다중 광다이오드의 배치의 예를 나타낸 평면도, 도 5는 다중으로 배치된 광다이오드와 검출부의 구조를 나타낸 블럭도, 도 6a 내지 6c는 제1검출부 내지 제3검출부의 내부 구조를 나타낸 블럭도이다.3 is a perspective view showing the structure of a radiation measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a plan view showing an example of the arrangement of multiple photodiodes, Figure 5 is a block showing the structure of the photodiode and the detection unit arranged in multiple 6A to 6C are block diagrams illustrating the internal structure of the first to third detection units.
열잡음(Thermal Noise)은 전도체 내부의 전자들의 열에 따른 불규칙한 움직임, 즉 열교란에 의한 내부로부터의 잡음이다. 이 잡음은 모든 형태의 전자 장비에서 나타나며, 그 크기는 절대 온도에 비례하며, 모든 범위의 주파수에 대해 균일한 전력스펙트럼을 가지고 있다.Thermal Noise is an irregular movement according to the heat of electrons inside a conductor, that is, noise from inside due to heat disturbance. This noise is present in all types of electronic equipment, and its magnitude is proportional to the absolute temperature and has a uniform power spectrum for all ranges of frequencies.
열잡음은 흰빛과 같은 형태의 주파수 스펙트럼을 가지므로 화이트노이즈(백색잡음, White Noise)라고도 불리며, 이러한 현상을 규명한 사람의 이름을 따서 존슨 노이즈(Johnson Noise)라고도 한다.Thermal noise is also called white noise (white noise) because it has a frequency spectrum like white light, and it is also called Johnson Noise after the person who identified this phenomenon.
이 잡음은 패턴이 무작위적이기 때문에 랜덤노이즈라고도 불리며, 전자 장비에서 제거될 수 없는 잡음이므로 이를 고려하여 전자 장비를 설계하여야 한다. 실리콘 반도체 또한 이 열잡음을 고려해야 한다. 실리콘 반도체인 다이오드는 그 면적에 비례하여 정전용량(capacitance)이 커지는 현상이 발생한다. 반도체의 정전용량에 비례하여 열잡음도 증가하는데, 반도체 센서의 정전용량에 의한 잡음(Qn)은 리셋 노이즈(reset noise)라고 하며 수학식 1로 표현된다.Since this noise is called random noise because the pattern is random, it must be designed in consideration of the noise because it can not be removed from the electronic equipment. Silicon semiconductors must also consider this thermal noise. Diodes, which are silicon semiconductors, have a large capacitance in proportion to their area. Thermal noise also increases in proportion to the capacitance of the semiconductor, and the noise Q n due to the capacitance of the semiconductor sensor is called reset noise and is represented by
여기서 kB는 볼쯔만 상수(Boltzmann's constant in joules per kelvin), T는 절대온도(absolute temperature), C는 정전용량이다. 리셋노이즈는 식의 형태를 본따서 kTC noise라고 부르기도 한다.Where k B is Boltzmann's constant in joules per kelvin, T is absolute temperature and C is capacitance. Reset noise is sometimes referred to as kTC noise in the form of an equation.
수학식 1에서 반도체의 정전용량 C가 커질수록 kTC noise도 커지는 것을 알 수 있다. 일반적으로 실리콘 소자의 반도체는 면적 1㎛2당 0.01fF의 정전용량을 가진다. 아래의 수학식 2를 통해서 1㎠ 면적의 실리콘 반도체는 1nF의 정전용량에 해당한다는 것을 알 수 있다.In
이와 같이 실리콘 반도체의 면적이 증가할수록 정전용량이 증가하는 현상이 발생하는데, 이에 따라 전하의 확산 시간이 그만큼 늘어나는 현상이 동시에 발생한다. 예를 들어 실리콘 반도체에서 10mm의 간격에서 전하 확산 시간은 50ms에서 100ms 정도가 될 것이다.As described above, as the area of the silicon semiconductor increases, the capacitance increases, so that the diffusion time of the charge increases accordingly. For example, in silicon semiconductors, the charge diffusion time would be 50ms to 100ms at 10mm intervals.
반도체 센서를 설계함에 있어서, 다이오드의 크기에 따라 정전용량 증가와 전하확산시간이 변화하고, 이에 따라 방사선 검출의 특성이 변화하는데, 다음과 같은 특징이 있다.In designing a semiconductor sensor, the capacitance increase and charge diffusion time change according to the size of the diode, and the characteristics of the radiation detection change accordingly.
다이오드의 크기에 따라 방사선 검출 특성이 달라지므로, 하나의 센서에 크기가 다른 다이오드를 여러 개 배치하면 개별 다이오드가 가진 장단점을 모두 보완할 수 있는 보다 안정적인 특성을 가진 반도체 방식의 방사선 측정장치를 만들 수 있다.Since the radiation detection characteristics vary depending on the size of the diodes, multiple diodes of different sizes can be placed on one sensor to create a semiconductor radiation measuring device with more stable characteristics that can compensate for the advantages and disadvantages of each diode. have.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 "다중 광다이오드를 이용한 방사선측정장치"(이하, '방사선측정장치'라 함)는 종래기술에 따른 장치와 동일하게 방사선의 입력에 따라 빛을 내는 형광체(110), 형광체(110)에서 발생하는 빛을 전기적인 신호로 변환하는 광다이오드(120), 광다이오드(120)에서 전달되는 전기적인 신호를 분석하여 방사선의 양과 핵종 등을 파악하기 위한 정보를 산출하는 검출부(130), 검출부(130)로부터 데이터를 전달하는 통신케이블(140), 통신케이블(140)을 통해 전달된 측정값을 이용하여 방사선량과 핵종 등을 분석하는 방사선분석장치(150)로 이루어진다.As shown in FIG. 3, the "radiation measuring apparatus using multiple photodiodes" (hereinafter, referred to as "radiation measuring apparatus") according to an embodiment of the present invention is the same as the apparatus according to the prior art according to the input of
본 발명에서는 형광체(110)에서 발생되는 빛을 전기적인 신호로 바꾸기 위한 광다이오드(120)를 하나의 크기가 아니라 다중으로 구성하여 크기별로 최적화된 광신호의 검출이 가능하도록 한다. 광다이오드(120)는 다수의 다이오드의 조합으로 이루어지는데, 개별 다이오드의 크기 및 감지성능을 다르게 해서 다양한 에너지의 방사선을 측정할 수 있도록 한다.In the present invention, the
보다 구체적으로는 도 4에 도시된 바와 같이, 면적이 가장 큰 픽셀과, 중간 크기의 픽셀, 가장 작은 크기의 픽셀로 조합하여 방사선측정장치(100)를 구성한다. 가장 큰 픽셀을 구성하는 것을 제1광다이오드(121)라고 하고, 중간 크기를 제2광다이오드(122), 가장 작은 크기를 제3광다이오드(123)라고 정의한다. 본 발명에서는 세 가지 크기의 다이오드를 사용하는 것을 대표적인 실시예로 설명하지만, 경우에 따라서는 두 가지 크기 또는 네 가지 크기 이상의 다이오드를 조합하여 구성할 수도 있다.More specifically, as shown in FIG. 4, the
각각의 픽셀은 하나의 픽셀 안에 방사선 검출을 위한 광다이오드(120)와, 광다이오드(120)의 신호를 증폭하고 구별할 수 있는 신호 처리 회로인 리더아웃 회로로 구성되어 있다. 리더아웃 회로는 도 2에 도시된 증폭기, 비교기, 계수기, 멀티플렉서를 모두 포함한 신호 처리 회로로서, 본 발명에서는 검출부(130)라고 명명된 부분이다.Each pixel is composed of a
가장 큰 면적을 갖는 제1광다이오드(121)로 이루어진 픽셀은 높은 에너지를 가진 방사선에 대해서 우수한 분해능을 가지고, 방사선 입사량이 적은 저준위 방사능에 잘 반응한다. 가장 작은 면적을 갖는 제3광다이오드(123)로 이루어진 픽셀은 낮은 에너지를 가진 방사선 및 빠르게 들어오는 다량의 방사선에 대해 잘 반응한다. 그리고 중간 크기의 면적을 갖는 제2광다이오드(122)로 이루어진 픽셀은 역시 중간 에너지 대역에 잘 반응한다.The pixel composed of the
제1광다이오드(121) 내지 제3광다이오드(123)는 다양한 형태로 배치될 수 있다. 도 4의 첫 번째 (a)와 같이, 가운데에 제1광다이오드(121)를 설치하고, 상하좌우에 각각 4개씩 총 16개의 제2광다이오드(122)를 배치하고, 그 사이에 16개씩 총 64개의 제3광다이오드(123)를 배치할 수 있다.The
조금 더 단순하게는 (b)와 같이, 제1광다이오드(121)의 측면에 4개의 제2광다이오드(122)를 배치하고, 그 측면에 16개의 제3광다이오드(123)를 배치할 수 있다. 이와 같은 광다이오드(120)의 배치 형태는 장치의 크기나 용도, 감지성능에 따라서 달라질 수 있다.More simply, as shown in (b), four
각각의 광다이오드(120)에는 개별적인 검출부(130)가 연결된다. 본 발명에서는 제1광다이오드(121)에 연결되어 신호를 수신하는 부분을 제1검출부(131)라고 하고, 제2광다이오드(122)와 제3광다이오드(123)에 연결되는 부분을 각각 제2검출부(132)와 제3검출부(133)라고 한다. 제1검출부(131) 내지 제3검출부(133)를 구성하는 회로는 도 5, 도 6a 내지 6c에 기재된 바와 같이, 모두 동일한 구성으로 이루어진다.Each
제1검출부(131)는 제1증폭기(131a), 제1분배기(131b), 제1-1비교기(131c), 제1-2비교기(131d), 제1-1계수기(131e), 제1-2계수기(131f), 제1멀티플렉서(131g)로 이루어진다.The
또한 제2검출부(132)는 제2증폭기(132a), 제2분배기(132b), 제2-1비교기(132c), 제2-2비교기(132d), 제2-1계수기(132e), 제2-2계수기(132f), 제2멀티플렉서(132g)로 이루어진다.In addition, the
또한 제3검출부(133)는 제3증폭기(133a), 제3분배기(133b), 제3-1비교기(133c), 제3-2비교기(133d), 제3-1계수기(133e), 제3-2계수기(133f), 제3멀티플렉서(133g)로 이루어진다.In addition, the
이와 같이 제1광다이오드(121), 제2광다이오드(122), 제3광다이오드(123)를 하나의 실리콘 반도체에 구성하고, 필요에 따라 형광체(110)를 부착하여 고 에너지 방사선을 더욱 잘 검출하게 할 수 있다. 각각의 픽셀 신호를 모아서 하나의 센서 데이터로 통합하고, 외부에 단일한 인터페이스를 제공하기 위한 통신포트(134)가 추가될 수 있다. 통신포트(134)는 데이터 통신을 위한 IO block으로서 통신케이블(140)이 연결되며, SPI 통신 방식 또는 시리얼(serial) 통신 방식, I2C 통신 방식 등 반도체 간의 통신에 널리 사용되는 통신 방식을 사용한다.In this way, the
제1멀티플렉서(131g)와 제2멀티플렉서(132g), 제3멀티플렉서(133g)에서 출력된 방사선 선량에 대한 데이터는 통신포트(134)를 통해 방사선분석장치(150) 또는 별도의 외부 시스템으로 전달되어 방사선 선량의 분석이나 핵종 파악에 사용된다.Data on the radiation dose output from the
다른 크기를 갖는 다중 광다이오드(120)가 설치된 픽셀로 이루어진 방사선측정장치(100)에서 방사선을 판독하는 방법을 도면을 참조하여 설명한다.A method of reading radiation in the
도 7은 동일한 이득 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 방사선을 측정하는 방법을 나타낸 개념도이며, 가로 6개, 세로 6개, 총 36개의 픽셀로 이루어진 방사선측정장치(100)를 예로 들어 설명한다.FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring radiation by using a photodiode having the same gain setting value. The
방사선측정장치(100)에 방사선이 충돌하면 윗부분에 부착된 형광체(110)에서 빛이 발생하고, 이 빛을 아래에 있는 광다이오드(120)가 감지한다. 형광체(110)에서 빛이 발생하면 발광영역에 속하는 픽셀(201)이 반응하고, 빛이 발생하지 않으면 픽셀(203)이 반응하지 않는다. 빛이 아주 약하게 발생하는 경우에도 픽셀(202)이 반응하지 않는다. 빛의 세기는 방사선의 에너지 세기에 비례하며, 또한 발광영역의 크기도 방사선의 에너지 세기에 비례한다.When radiation collides with the
예를 들어 1.17MeV의 에너지를 가진 Co-60 감마선의 발광영역 크기는 662keV의 에너지를 가진 Cs-137 감마선의 발광영역 크기보다 크다. 도 7의 발광영역은 12개의 픽셀(X 표시가 된 부분)에 방사선이 검출됨을 보여준다. 각 픽셀은 광다이오드(120)와 검출부(130)를 독립적으로 가지며, 검출부(130)에는 증폭기와 비교기, 계수기가 구성된다. 각각의 광다이오드(120)와 검출부(130)는 서로 다른 세기의 빛에 반응하도록 설정할 수 있으나, 도 7에서는 모든 픽셀이 동일한 설정값을 가진 것으로 가정하였다. 즉, 검출부(130)에 포함된 증폭기의 증폭도가 동일하여 동일한 이득(gain) 설정값을 갖는다.For example, the emission area of Co-60 gamma rays with an energy of 1.17 MeV is larger than that of Cs-137 gamma rays with an energy of 662 keV. The emission area of FIG. 7 shows that radiation is detected in 12 pixels (parts marked with X). Each pixel has the
따라서 동일한 이득 설정값을 가진 광다이오드(120)와 검출부(130)를 사용하는 경우에는 발광영역의 크기에 따라서 발광 여부가 결정될 것이다.Therefore, in the case of using the
한편, 도 8은 두 가지 이득 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 방사선을 측정하는 방법을 나타낸 개념도이다.8 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring radiation by using a photodiode having two gain setting values.
각 픽셀에 사용되는 검출부(130)의 설정을 차등하여 증폭도가 높은 픽셀(빗금친 사각형으로서 303과 304)과, 증폭도가 낮은 픽셀(흰색 사각형으로서 301과 302)의 두 가지 픽셀의 조합으로 설계하면 도 8과 같이 될 것이다.Differentiating the setting of the
검출부(130)의 증폭도는 회로의 앞쪽에 배치된 증폭기의 이득 설정값에 따라 결정된다. 즉, 제1증폭기(131a)와 제2증폭기(132a), 제3증폭기(133a)의 이득 설정값이 각각 제1검출부(131)와 제2검출부(132), 제3검출부(133)의 증폭도를 결정한다. 증폭기의 이득 설정값을 높이면 증폭도가 높은 픽셀(303, 304)이 되고, 낮추면 증폭도가 낮은 픽셀(301, 302)이 된다.The amplification degree of the
이때 도 7에서와 동일한 에너지가 흡수되면 동일한 크기의 발광영역이 형성될 것이다. 그러면 증폭도가 높은 픽셀(304)에서는 감지 결과값을 보다 큰 폭으로 증폭시키기 때문에 신호의 강도가 더 세진다. 따라서 빛이 약한 주변부에 있는 경우에도 신호가 검출된다.In this case, when the same energy is absorbed as in FIG. 7, light emitting regions having the same size will be formed. In this case, the
그러나, 증폭도가 낮은 픽셀(301)에서는 약한 신호를 충분히 증폭시키지 못하기 때문에 약한 빛이 감지된 경우에는 신호가 검출되지 않는다. 그리고 증폭도가 낮지만 발광영역의 중심부에 있는 픽셀(302)은 신호를 증폭하지 않아도 충분한 세기의 신호가 발생되기 때문에 빛을 검출할 수 있다.However, since the weak signal is not sufficiently amplified in the low-
도 8에서 신호가 검출되는 픽셀은 총 8개로 도 7의 12개와 비교해 보면 적다. 하지만 동일한 면적을 픽셀로 채운다면 도 8의 방사선측정장치(100)는 도 7의 방사선측정장치(100)와 비교해서 높은 에너지의 방사선은 더욱 잘 검출할 수 있음을 알 수 있다.In FIG. 8, a total of eight pixels are detected, which is small compared to 12 of FIG. 7. However, if the same area is filled with pixels, it can be seen that the
한편, 도 9는 네 가지 종류의 이득 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 방사선을 측정하는 방법을 나타낸 개념도이다.9 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring radiation using a photodiode having four kinds of gain setting values.
만일 픽셀의 증폭기의 설정을 더욱 세분하게 차등하여 증폭도가 가장 낮은 픽셀(흰색으로서 401), 증폭도가 두 번째로 낮은 픽셀(우측 아래로 빗금친 사각형으로서 402와 403), 증폭도가 두 번째로 높은 픽셀(좌측 아래로 빗금친 사각형으로서 404와 405), 증폭도가 가장 높은 픽셀(대각선 격자무늬로서 406과 407)의 네 가지 픽셀의 조합으로 설계하면 도 9와 같이 된다.If the amplifier settings of the pixel are further subdivided, the pixel with the lowest amplification (401 as white), the second lowest amplification pixel (402 and 403 as squares shaded down to the right), and the second highest amplification If the design is a combination of four pixels (a 404 and 405 as a left-hatched square) and a pixel having the highest amplification degree (406 and 407 as a diagonal lattice pattern), it is as shown in FIG.
역시 도 7에서와 동일한 에너지가 흡수되면, 발광영역의 크기는 동일하게 형성된다. 그러나, 증폭도가 두 번째로 낮은 픽셀(402)은 빛이 약한 주변부에서 검출되지 않는 반면에, 증폭도가 두 번째로 높은 픽셀(404)은 주변부에서도 검출될 것이다. 증폭도가 가장 높은 픽셀(406)은 주변부이지만 빛을 검출한다. 검출되는 전체 픽셀의 개수는 총 8개로 도 7의 12개와 비교해 보면 적다. 도 8과 9는 검출되는 픽셀의 개수는 8개로 동일해서 증폭기의 이득 설정값을 세분화하는 효과가 보이지 않을 수 있다.Again, when the same energy is absorbed as in Fig. 7, the size of the light emitting area is formed the same. However,
도 10은 두 가지 이득 설정값과 두 가지 비교기 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 방사선을 측정하는 방법을 나타낸 개념도이다.10 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring radiation using a photodiode having two gain settings and two comparator settings.
픽셀의 증폭기의 이득 설정값은 도 7과 같이 2단계로 설정하고, 비교기의 분해능(비교기 설정값)을 2단계로 설정하여 도 10과 같이 설계할 수 있다. 증폭도가 낮고 비교기 설정값도 낮은 픽셀(흰색으로서 501), 증폭도는 높고 비교기 설정값은 낮은 픽셀(우측 아래로 빗금친 사각형으로서 502), 증폭도는 낮고 비교기 설정값은 높은 픽셀(두꺼운 경계선을 가진 흰색 사각형으로서 503과 504), 증폭도는 높고 비교기 설정값도 높은 픽셀(두꺼운 경계선을 가지고 우측 아래로 빗금친 사각형으로서 505와 506)의 네 가지 픽셀의 조합이다. 비교기 설정값은 에너지 검출 기준을 설정하기 위한 것으로 증폭기의 이득 설정값과 조합하여 설정할 수 있다.The gain setting value of the amplifier of the pixel may be designed as shown in FIG. 10 by setting the gain setting value of the pixel in two stages as shown in FIG. 7 and setting the resolution (comparator set value) of the comparator in two stages. Pixels with low amplification and low comparator settings (501 as white), pixels with high amplification and low comparator settings (502 as squares shaded down to the right), pixels with low amplification and high comparator settings (white with thick borders) 503 and 504 as squares, a combination of four pixels of pixels with high amplification and high comparator settings (505 and 506 as squares shaded down to the right with a thick border). The comparator set point is for setting an energy detection reference and can be set in combination with the gain set point of the amplifier.
비교기 설정값이 높다는 것은 비교기에 입력되는 ref 값이 높아서 높은 강도의 빛 또는 신호가 입력되어야 검출부(130)가 감지할 수 있다는 것을 의미한다.The high comparator setting value means that the
도 7과 동일한 크기의 에너지가 흡수되면서 형광체(110)가 발광하면, 발광영역의 크기는 동일할 것이다. 그러나, 이득 설정값이 높고 비교기 설정값이 낮은 픽셀(502)은 빛이 약한 주변부에서 검출되는 반면에, 이득 설정값이 낮고 비교기 설정값이 높은 픽셀(504)은 주변부에서 검출되지 않을 것이다. 이득 설정값이 높고 비교기 설정값이 높은 픽셀(505)은 주변부이지만 빛을 검출한다.When the
빛이 검출되는 전체 픽셀의 개수는 총 9개로 도 7의 12개와 비교해 보면 적지만, 도 8과 9에서 검출되는 8개 보다는 많다. 이렇게 동일한 에너지로 입사되는 방사선이라도 각 픽셀의 증폭기 값과 비교기 값을 다르게 설정함으로써 검출되는 개수가 다르게 설정할 수 있다.The total number of pixels for which light is detected is nine, which is small compared to the twelve in FIG. 7, but is larger than the eight detected in FIGS. 8 and 9. Even if the radiation is incident with the same energy, the number of detected signals may be set differently by setting the amplifier value and the comparator value of each pixel differently.
이와 같이 검출을 원하는 방사선의 에너지 대역과 방사선량에 적합하도록 증폭기 값과 비교기 값을 설정할 수 있는데, 예를 들어 1.17MeV의 에너지를 가진 Co-60 감마선이 1mSv로 빠르게 검출되는 것을 가정하면, 에너지가 비교적 크므로 증폭기 값은 낮게 설정하여 증폭기의 선형성은 확보하면서 잡음은 줄이고, 비교기의 값을 크게 설정하는 것이 좋다. 반면 662keV의 에너지를 가진 Cs-137 감마선이 20μSv로 느리게 검출되는 것을 가정하면, 에너지가 비교적 적으므로 증폭기 값은 높게 설정하여 신호를 보다 명확하게 검출하게 하고, 비교기 값은 낮게 하여 민감도를 늘리는 것이 좋다.In this way, the amplifier value and the comparator value can be set to suit the energy band and radiation dose of the radiation to be detected. For example, assuming that a Co-60 gamma ray having an energy of 1.17 MeV is rapidly detected at 1 mSv, Since it is relatively large, it is better to set the amplifier value low to reduce the noise while ensuring the linearity of the amplifier, and to set the value of the comparator large. On the other hand, assuming that Cs-137 gamma rays with an energy of 662 keV are detected slowly as 20 μSv, it is recommended to set the amplifier value higher so that the signal can be detected more clearly and the comparator value lower to increase the sensitivity. .
한편, 도 11은 동일한 비교기 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 불량 소자를 감지하는 방법을 나타낸 개념도이다.FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating a method of detecting a defective device using a photodiode having the same comparator set value.
발광영역의 빛의 밝기는 중심이 제일 세고, 주변부로 갈수록 약해진다. 동일한 증폭기 값과 비교기 값을 가진 픽셀(601, 602, 603, 604)를 검토해 보면, 주변부 픽셀(601, 604)은 빛을 검출하고 중심부 픽셀(603)이 빛을 검출하는데, 중심부 픽셀(602)은 빛을 검출하지 않으면, 이 픽셀(602)은 불량으로 판정할 수 있다. 이렇게 동일한 설정값을 가진 이웃 픽셀을 비교하여 불량을 판정할 수 있다.The brightness of the light in the light emitting area is the strongest in the center and weakens toward the periphery. Looking at
또한 도 12는 다른 비교기 설정값을 가진 광다이오드를 사용하여 불량 소자를 감지하는 방법을 나타낸 개념도이다.12 is a conceptual diagram illustrating a method of detecting a bad device using a photodiode having different comparator settings.
발광영역 내에서 높은 비교기 설정값을 가지며 주변부에 있는 픽셀(703, 705)이 검출할 수 있으면, 보다 중심부에 있으며 비교기 설정값이 낮은 픽셀(702, 704)은 당연히 검출할 수 있어야 한다. 그러나, 중심부 픽셀(702)이 검출에 실패하였으므로, 불량으로 판정할 수 있다.If
동일한 비교기 설정값을 가진 픽셀이 연속되는 경우, 어느 하나의 픽셀을 기준으로 좌측과 우측에서 신호가 검출되는데 가운데 픽셀에서는 검출되지 않는다면 이 부분은 불량 픽셀일 가능성이 매우 크다. 따라서 본 발명에서는 이러한 영역을 불량픽셀로 간주하도록 설정된다.If pixels with the same comparator settings are continuous, if a signal is detected on either left or right with respect to one pixel, but not at the center pixel, this is most likely a bad pixel. Therefore, in the present invention, such an area is set to be regarded as a bad pixel.
이와 같이 불량 픽셀은 생산 과정에서 생기기도 하지만, 동작 중에 수명이 다하여 생기기도 한다. 불량 픽셀은 한번 발생하면 해당 픽셀만 수리가 불가능하기 때문에 불량을 인식하고 있어야 정확한 측정장치의 동작을 보장한다. 현재 생산과정의 픽셀 불량은 대부분 파악하여 측정장치를 불량으로 분류하지만, 동작 중에 픽셀의 불량을 판정하고 이를 보상하는 방사능 센서는 없다.As such, bad pixels may occur during production, but may also occur at the end of their lifetime during operation. If a bad pixel occurs once, only the pixel can't be repaired, so it must be recognized to ensure correct operation of the measuring device. Most pixel defects in the current production process are grasped and classified as a measurement device. However, there is no radiation sensor that determines and compensates for pixel defects during operation.
이하에서는 이러한 구조와 기능적인 특성을 갖는 방사선측정장치(100)를 이용하여 방사선의 선량을 구하고, 핵종을 판단하는 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of obtaining a radiation dose and determining a nuclide using a
도 13은 다중 광다이오드에 일련번호를 붙인 상태를 나타낸 평면도이며, 도 14는 각각의 광다이오드에서 측정되는 방사선량을 계산하는 방법을 나타낸 개념도이다.FIG. 13 is a plan view illustrating a state in which serial numbers are attached to multiple photodiodes, and FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating a method of calculating a radiation dose measured in each photodiode.
도 13은 본 발명에서 사용하는 방사선측정장치(100)의 영역을 픽셀 단위로 보여주고 있다. 도 13의 구조는 도 4에서 두 번째로 제시된 (b) 구조와 동일하다.Figure 13 shows the area of the
제1광다이오드(121)가 차지하는 1개의 영역을 a1 이라고 한다. 그리고 제2광다이오드(122)가 차지하는 4개의 영역을 b1, b2, b3, b4라고 한다. 그리고 제3광다이오드(123)가 차지하는 16개의 영역을 순서대로 c1 부터 c16까지라고 한다. 각각의 픽셀은 광다이오드의 신호를 읽어들이는 검출부(130)를 포함하고 있다.One area occupied by the
도 13에 도시된 총 21개의 픽셀로부터 출력되는 신호는 도 14와 같은 형식이 된다. 각 픽셀은 도 5에서와 같이 ref1과 ref2 값의 비교 결과에 따른 계수기 값을 가지고 있다. 즉 하나의 픽셀은 두 개의 비교기 값을 출력한다. 하나의 비교기는 16비트로 이루어진 계수기에 값을 저장하는데, a1 픽셀의 ref1에 해당하는 계수기 값을 a1.r1이라 하고, a1 픽셀의 ref2에 해당하는 계수기 값을 a1.r2라 한다.A signal output from a total of 21 pixels shown in FIG. 13 has a format as shown in FIG. 14. Each pixel has a counter value according to a result of comparing ref1 and ref2 values as shown in FIG. 5. That is, one pixel outputs two comparators. One comparator stores a value in a 16-bit counter. The counter value corresponding to ref1 of a1 pixel is called a1.r1 and the counter value corresponding to ref2 of a1 pixel is called a1.r2.
마찬가지로 b1 픽셀의 ref1에 해당하는 계수기 값을 b1.r1이라 하고, b1 픽셀의 ref2에 해당하는 계수기 값을 b1.r2라 한다. 이렇게 마지막 픽셀인 c16 픽셀까지 계수기 값을 지정할 수 있다.Similarly, the counter value corresponding to ref1 of the b1 pixel is referred to as b1.r1, and the counter value corresponding to ref2 of the b1 pixel is referred to as b1.r2. You can specify a counter value up to the last pixel, c16 pixels.
도 14에서 문자열 아래의 그림은 예제를 나타내는데, 각 계수기 값의 예를 든 것으로서, ref1 이 ref2 보다 기준점이 높으므로 각 픽셀의 계수기 값도 ref2가 더 많은 값을 가지는 것을 볼 수 있다. 이 예제에서 보듯이 픽셀이 클수록 계수기 값이 적은 것을 알 수 있는데, 이는 같은 방사선이 들어오더라도 픽셀의 크기가 클수록 단위 픽셀당 반응하는 수는 적기 때문이다.The figure below the string in FIG. 14 shows an example. As an example of each counter value, since ref1 has a higher reference point than ref2, it can be seen that the counter value of each pixel also has more values of ref2. As this example shows, the larger the pixel, the smaller the counter value, because the larger the size of the pixel, the smaller the number of reactions per unit pixel, even if the same radiation comes in.
방사선측정장치(100)는 방사선량(dose rate)과 핵종(nuclide) 구분이 중요한 기능이다. 즉 어떠한 종류의 방사선이 얼마만큼 발생하고 있는지 측정하는 것이 주된 목적이기 때문에 우선 방사선량을 구하는 과정을 설명한다. 방사선이 입사할 때마다 각 픽셀이 반응하고 계수기 값이 증가한다. 이러한 작용은 픽셀이 단위면적당 점유하고 있는 면적에 비례하는데, 방사선측정장치(100)가 방사선량을 구하는 식은 아래의 수학식 3과 같다.
가장 큰 픽셀 영역(121)인 a1에 포함된 계수기 값을 전부 더하고, 보정값 A를 곱한다. 그리고 중간 크기의 픽셀 영역(122)인 b1에서 b4에 포함된 계수기 값을 전부 더하고, 보정값 B를 곱한다. 마지막으로 가장 작은 픽셀 영역(123)인 cl에서 c16에 포함된 계수기 값을 전부 더하고, 보정값 C를 곱한다. 이 값을 모두 더하면 방사선량을 구할 수 있다. 이때 각각의 영역에 대한 보정값 A, B, C는 아래의 수학식 4를 통해 구할 수 있다.The counter values included in a1, which is the
작은 픽셀인 c영역(123)의 예를 들면, 각 픽셀이 점유하는 단위면적에서 전체 면적을 나누어야 각 픽셀의 면적에 대한 비중을 알 수 있고, 면적에 비례하지 않는 재질이나 제조과정에 따른 편차, 선량의 세기에 따른 반응 편차 등을 고려해서 여기에 c영역(123)에 대한 가중치를 곱한다.For example, the
다음으로 핵종구분을 하기 위한 과정을 설명한다.Next, the process for nuclide classification is explained.
도 15는 핵종별 에너지와 설정값을 나타낸 테이블로서, 핵종구분 과정에 사용하는 도표가 기재된다. 본 예제에서 설명하는 핵종은 대표적인 10종의 감마선 방출 원소에 관한 것이다.FIG. 15 is a table showing nuclear energy and setting values, and a table used in the nuclear species classification process is described. The nuclide described in this example relates to 10 representative gamma ray emitting elements.
테이블의 두 번째 열은 각 핵종에 따른 방사선의 에너지를 나타내며, Sn-113이나 Co-60 등은 2차 에너지를 가지므로 두 개의 에너지가 표시되어 있다.The second column of the table shows the energy of radiation for each nuclide, and since Sn-113 and Co-60 have secondary energy, two energy are indicated.
Calibration 설정값은 방사선측정장치(100)에 대한 교정값을 나타내는데, 교정은 각 핵종에 따른 센서의 선형성과 정확성을 미리 설정하는 과정을 말하는 것으로, 본 발명에서는 각 영역에 대한 비중값을 각각 설정한다. 예를 들어 Am-241이 방사선을 방사하였을 때 방사선측정장치(100)의 영역별 측정 비중이 각각 5.2%, 24.6%, 70.2%로 나타난다면, 이를 미리 분석장치에 입력해 두고 나중에 측정의 기준값으로 사용한다. 같은 방법으로 나머지 핵종에 대해서도 모두 이러한 비중값을 계산한다. 즉 Calibration 설정값은 기존에 실험이나 측정을 통해 알려져 있는 기준값인 것이다. 영역 비중은 각 영역의 기여 비율인데 수학식 5와 같다The calibration setting value represents a calibration value for the
즉, 각각의 영역의 비중은 전체 방사선량 중에서 각각의 영역에서 측정된 방사선 선량의 비율임을 알 수 있다.That is, it can be seen that the specific gravity of each region is the ratio of the radiation dose measured in each region among the total radiation doses.
도 15에 기재된 편차는 측정한 특정 핵종의 방사선량의 각 영역에 대한 기여비율을 모든 핵종과 비교한 값이다.The deviation described in FIG. 15 is a value in which the contribution ratio for each region of the radiation dose of the specific nuclide measured is compared with all the nuclides.
도 16은 다중 광다이오드를 사용하여 방사선 핵종을 찾는 과정을 나타낸 순서도로서, 전술한 방사선측정장치(100)를 사용하여 알려지지 않은 방사선의 방사선량을 기초로 방사선을 방출한 핵종을 파악하기 위한 방법이 구체적으로 설명되어 있다.FIG. 16 is a flowchart illustrating a process of finding a radionuclide using multiple photodiodes. The method for identifying a radionuclide that emits radiation based on a radiation dose of unknown radiation using the above-described
본 발명의 방사선측정장치(100)를 사용하여 방사선을 측정한다.Radiation is measured using the
형광체(110)에서 발생되는 빛을 광다이오드(120)가 감지하고, 검출부(130)는 빛의 유무와 세기에 따라 변화하는 측정값을 생성하는데, 서로 다른 크기의 다중 광다이오드(120)를 사용하기 때문에 각각의 영역별 측정값이 생성된다.(S102)The
멀티플렉서는 증폭기와 비교기, 계수기에서 생성된 측정데이터를 수집하여 통합된 데이터 테이블을 생성한다.(S104)The multiplexer collects measurement data generated by an amplifier, a comparator, and a counter to generate an integrated data table (S104).
생성된 데이터는 통신포트(134)와 통신케이블(140)을 통해 방사선분석장치(150) 또는 외부 시스템으로 전달되며, 각각의 영역별로 방사선량을 계산하여 데이터를 생성한다.(S106)The generated data is transmitted to the
그리고 영역별 비중을 계산하고, 계산된 값을 이용하여 영역별 편차 및 편차의 합을 계산한다.(S108, S110)The specific gravity of each region is calculated, and the deviation and the sum of the deviations are calculated using the calculated values. (S108, S110)
이를 위해 방사선분석장치(150)에는 CPU와 통신부, 방사성 핵종 데이터베이스, 메모리, 디스플레이, 입력장치 등의 수단이 구비된다. CPU는 방사선측정장치(100)로부터 전송된 방사선량 측정값 및 데이터 테이블을 이용하여 정확한 방사성 핵종의 정보를 파악한다. 그러나 경우에 따라서는 방사선측정장치(100)와 방사선분석장치(150)가 일체형으로 구성될 수도 있다.To this end, the
각각의 영역별 편차는 Calibration 설정값과 방사선측정장치(100)의 실제 측정값의 차이의 절대값으로 결정된다.The deviation for each region is determined as the absolute value of the difference between the calibration set value and the actual measured value of the
a, b, c 각 영역에 대한 편차를 계산하면 수학식 6과 같다.Computation of deviation for each region a, b, c is given by Equation 6.
편차는 두 값의 차이를 나타내는데 음수를 제거해야 하므로 절대값을 취한다.The deviation represents the difference between the two values, so the negative value needs to be removed, so take the absolute value.
예를 들어 본 발명의 방사선측정장치(100)를 사용하여 얻은 측정값이 a영역 18.4%, b영역 22.9%, c영역 58.7%라고 한다. 이 측정값을 이용해 어떤 핵종의 원소로부터 방출된 방사선인지를 판정하기 위해 제일 먼저 도 15의 표에 나타나는 Am-241에 대해서 편차와 편차의 합을 구한다. a영역의 calibration 설정값인 5.2에서 a영역 측정값인 18.4를 빼고 이의 절대값인 13.2를 a영역 편차로 기록한다.For example, the measured values obtained by using the
다음으로 Am-241의 b영역의 calibration 설정값인 24.6에서 b영역 측정값인 22.9를 빼고 이의 절대값인 1.7를 b영역 편차로 기록한다.Next, subtract 22.9, the measured value of b, from 24.6, the calibration setting of b, for Am-241, and record its absolute value, 1.7, as b.
다음으로 Am-241의 c영역의 calibration 설정값인 70.2에서 c영역 측정값인 58.7을 빼고 이의 절대값인 11.5를 c영역 편차로 기록한다.Next, subtract 58.7, the measured value of c, from the calibration setting of 70.2, the c area of Am-241, and record its absolute value, 11.5, as the c area deviation.
이와 같이 세 가지 영역의 편차(13.2, 1.7, 11.5)를 모두 합산하여 a,b,c 각 영역의 편차의 합을 구하는데, 합산 값인 26.4를 비교를 위해 기록해 둔다.In this way, the sum of the deviations of the three areas (13.2, 1.7, 11.5) is summed to obtain the sum of the deviations of each of the a, b, and c areas, and the combined value 26.4 is recorded for comparison.
이상으로 첫번째 비교할 핵종인 Am-241에 대해 편차의 합을 구하고 나면 그 다음 비교할 핵종으로 Cd-109를 선택한다. 역시 동일한 방법으로 Cd-109의 a영역과 b영역, c영역의 편차를 구하고, 이를 합산하여 25.1이라는 편차의 합을 구하여 기록해 둔다.After summating the deviations for Am-241, the first nuclide to be compared, Cd-109 is selected as the next nuclide to be compared. In the same way, calculate the deviation of a, b and c areas of Cd-109, add them together, and record the sum of the deviation of 25.1.
이와 같은 과정을 제일 마지막 비교할 핵종인 Y-88까지 반복한다. 이렇게 구한 편차의 합이 제일 작은 핵종이 우리가 찾는 핵종이 된다. 왜냐하면 Calibration 설정값과 각 영역의 차이가 제일 작다는 것은 해당 핵종과 에너지대역이 가장 유사하다는 것을 의미하기 때문이다. a, b, c 각 영역별 에너지 대역의 차이가 크다면 영역별 편차도 차이가 클 것이기 때문이다. 따라서 본 발명에서 도 15에 기재된 실시예는 측정값인 a영역비중 18.4%, b영역비중 22.9%, c영역비중 58.7%와 각 영역별 calibration 설정값과 편차가 제일 적은 CS-137(a영역비중 18.9%, b영역비중 23.1%, c영역비중 58.0%)가 정확한 핵종이 된다.Repeat this process up to Y-88, the last nuclide to compare. The nuclide with the smallest sum of deviations is the one we are looking for. This is because the smallest difference between the calibration setpoint and each region means that the corresponding nuclide and energy band are the closest. This is because if the difference in energy bands in each of the regions a, b and c is large, the variation in each region will also be large. Therefore, in the present invention, the embodiment described in FIG. 15 shows the measured values of CS-137 (a-area weight ratio) of 18.4% of a-area ratio, 22.9% of b-area ratio, 58.7% of c-area ratio, and the lowest calibration setting value for each region. 18.9%, b. 23.1%, c. 58.0%) are the correct nuclides.
이와 같이 방사선분석장치(150)는 설정값과 측정값에 대한 테이블을 이용하여 가장 편차와의 차이가 작은 값을 찾아서 적합한 핵종을 검색하게 된다.(S112)As such, the
한편, 불량 픽셀을 찾는 과정에서는 각각의 픽셀에서 검출되는 빛의 세기를 주변 픽셀의 평균과 비교하여 불량 여부를 판단한다.On the other hand, in the process of finding a bad pixel, the light intensity detected by each pixel is compared with the average of the surrounding pixels to determine whether or not the bad.
각 픽셀이 정상 동작하는 경우에는 검출되는 방사선량도 이웃하는 픽셀과 유사할 것이다. 만일 픽셀이 비정상 상태라면 검출되는 방사선량이 동일 크기를 가진 이웃 픽셀과 많은 차이가 날 것이다. 대표적인 비정상 현상이라면 회로 고장으로 인해 픽셀이 아예 동작하지 않거나, 증폭기와 비교기의 일부 회로 고장으로 픽셀의 출력값이 편차가 많은 경우가 될 것이다.If each pixel is in normal operation, the radiation dose detected will be similar to the neighboring pixels. If the pixel is in an abnormal state, the amount of radiation detected will be much different from neighboring pixels of the same size. A typical abnormality would be a case where a pixel does not operate at all due to a circuit failure, or the output value of a pixel is deviated due to some circuit failure of an amplifier and a comparator.
방사선측정장치(100)에 입력되는 방사선량은 모든 픽셀에 고르게 도달할 것이고, a, b, c 각 영역의 픽셀은 동일한 크기를 가지므로 각 영역 내의 개별 픽셀 출력값은 평균값과 비슷할 것이다. 만약 특정 픽셀이 평균과 많은 차이를 보인다면 그 부분을 불량 픽셀로 판정할 수 있다.The radiation dose input to the
예를 들어 c영역의 c12번 픽셀의 출력값이 주변에 비해서 상대적으로 표준편차를 크게 보인다면 c12번 픽셀이 불량임을 예상할 수 있다.For example, if the output value of pixel c12 of region c shows a large standard deviation relative to the surroundings, it can be expected that pixel c12 is defective.
일반적으로 "평균"이라는 것은 각 변량의 합에서 변량의 개수를 나눈 것이 정의인데, 본 발명에서는 각 픽셀의 측정값의 합을 픽셀 개수로 나눈 값을 의미한다.In general, the term "average" is defined as the number of variables divided by the sum of the variables, and in the present invention, the sum of the measured values of each pixel divided by the number of pixels.
그리고 각 픽셀의 측정값에서 평균값을 빼면 각 픽셀의 편차가 구해진다.The subtraction of each pixel is obtained by subtracting the average value from the measured value of each pixel.
수학식 8과 같이 각 픽셀의 편차를 모두 더해 픽셀의 개수로 나누면 표준편차를 구할 수 있다.As shown in Equation 8, the standard deviation may be obtained by adding all the deviations of each pixel and dividing by the number of pixels.
각 픽셀의 편차가 표준편차와 얼마나 차이나는 지, 그 비율을 구하면 편차율을 구할 수 있다.How far the deviation of each pixel is from the standard deviation, the ratio can be found by calculating the ratio.
특정 픽셀의 편차율이 타 픽셀과 비교해서 과도하게 크다면 해당 픽셀을 불량으로 판별할 수 있다. 예를 들어 대부분의 픽셀은 편차율이 20% 이내인데, 특정 픽셀만 편차율이 150% 이상이라면 해당 픽셀은 불량일 가능성이 매우 높은 것이다.If the deviation rate of a particular pixel is excessively large compared to other pixels, the corresponding pixel may be determined as defective. For example, if most pixels have a deviation of less than 20%, and only a specific pixel has a deviation of 150% or more, the pixel is likely to be bad.
일반적으로 픽셀 불량은 동일한 크기를 가진 픽셀들끼리 비교하는 것이 편리하나, 비교할 픽셀의 개수가 작은 경우에는 비교집합의 크기를 늘리기 위해 다른 크기의 픽셀과 합하여 비교할 수 있을 것이다. 이 경우 불량 판정을 위한 편차율은 더욱 커질 수 있다. 방사선측정장치(100)에서는 사용 중에 발생되는 불량 픽셀을 교체하거나 수리할 수 없기 때문에 불량 픽셀로 한번 판정이 되면 이후 측정하는 모든 계산에서 제외하여야 한다.In general, pixel defects are convenient to compare pixels having the same size, but when the number of pixels to be compared is small, it may be compared with other sized pixels to increase the size of the comparison set. In this case, the deviation rate for the defect determination can be further increased. Since the
이와 같은 구성과 방법을 통해 다양한 핵종으로부터 무작위적으로 발생되는 방사선의 양을 정확하게 구할 수 있고, 어떤 핵종으로부터 방출된 방사선인지를 예측할 수 있게 된다.Such a configuration and method can accurately determine the amount of radiation randomly generated from various nuclides and predict which radionuclides are emitted.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the above-described technical configuration of the present invention may be embodied by those skilled in the art to which the present invention pertains without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be appreciated that the present invention may be practiced as. Therefore, the exemplary embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and All changes or modifications derived from the equivalent concept should be construed as being included in the scope of the present invention.
10, 100 : 방사선측정장치 11, 110 : 형광체
12, 120 : 광다이오드 13, 130 : 검출부
121 : 제1광다이오드 122 : 제2광다이오드
123 : 제3광다이오드 131 : 제1검출부
132 : 제2검출부 133 : 제3검출부
134 : 통신포트 140 : 통신케이블
150 : 방사선분석장치10, 100:
12, 120:
121: first photodiode 122: second photodiode
123: third photodiode 131: first detection unit
132: second detection unit 133: third detection unit
134: communication port 140: communication cable
150: radiation analysis device
Claims (7)
방사선의 입력에 따라 빛을 내는 형광체(110)와;
상기 형광체(110)에서 발생하는 빛을 전기적인 신호로 변환하는 광다이오드(120)와;
상기 광다이오드(120)에서 전달되는 전기적인 신호를 분석하여 방사선량과 핵종을 파악하기 위한 정보를 산출하며, 복수의 광다이오드(120)에 개별적으로 연결되는 복수의 검출부(130);를 포함하며,
상기 광다이오드(120)는 상대적으로 크기가 큰 제1광다이오드(121)와, 상기 제1광다이오드(121)보다 상대적으로 크기가 작은 제2광다이오드(122)와, 상기 제2광다이오드(122)보다 상대적으로 크기가 작은 제3광다이오드(123)로 이루어지며,
가운데에 설치된 상기 제1광다이오드(121)의 상하좌우에 각각 4개씩 총 16개의 제2광다이오드(122)를 배치하고, 상기 제2광다이오드(122) 사이의 공간에 각각 16개씩 총 64개의 제3광다이오드(123)를 배치하며,
상기 검출부(130)는 상기 제1광다이오드(121)로부터 전송되는 전기적인 신호를 수신하는 제1검출부(131)와, 상기 제2광다이오드(122)로부터 전송되는 전기적인 신호를 수신하는 제2검출부(132)와, 상기 제3광다이오드(123)로부터 전송되는 전기적인 신호를 수신하는 제3검출부(133)로 이루어지며,
상기 제1검출부(131)는 제1증폭기(131a), 제1분배기(131b), 제1-1비교기(131c), 제1-2비교기(131d), 제1-1계수기(131e), 제1-2계수기(131f), 제1멀티플렉서(131g)로 이루어지며,
상기 제2검출부(132)는 제2증폭기(132a), 제2분배기(132b), 제2-1비교기(132c), 제2-2비교기(132d), 제2-1계수기(132e), 제2-2계수기(132f), 제2멀티플렉서(132g) 로 이루어지며,
상기 제3검출부(133)는 제3증폭기(133a), 제3분배기(133b), 제3-1비교기(133c), 제3-2비교기(133d), 제3-1계수기(133e), 제3-2계수기(133f), 제3멀티플렉서(133g)로 이루어지며,
상기 제1증폭기(131a)의 이득(gain) 설정값, 상기 제2증폭기(132a)의 이득 설정값, 상기 제3증폭기(133a)의 이득 설정값은 서로 상이하게 설정되며,
상기 제1-1비교기(131c) 및 상기 제1-2비교기(131d)의 비교기 설정값, 상기 제2-1비교기(132c) 및 상기 제2-2비교기(132d)의 비교기 설정값, 상기 제3-1비교기(133c) 및 상기 제3-2비교기(133d)의 비교기 설정값은 서로 상이하게 설정되며,
상기 이득 설정값과 상기 비교기 설정값은 검출 대상이 되는 방사선의 종류에 따라 가변적으로 설정되며,
발광영역 내의 주변부에 있는 픽셀(703, 705)이 발광을 검출하였음에도 불구하고 중심부에 있으면서 비교기 설정값이 상대적으로 낮은 픽셀(702, 704)이 발광을 검출하지 못하거나,
동일한 비교기 설정값을 가진 픽셀이 연속되는 경우, 어느 하나의 픽셀을 기준으로 좌측과 우측에서 신호가 검출됨에도 불구하고 가운데 픽셀에서 발광이 검출되지 않는 경우에 상기 픽셀을 불량픽셀로 간주하는 것을 특징으로 하는, 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정장치.As a radiation measuring device to improve the radiation detection efficiency by multiple combinations of photodiodes 120 of different sizes,
Phosphor 110 which emits light according to the input of radiation;
A photodiode 120 for converting light generated from the phosphor 110 into an electrical signal;
And a plurality of detection units 130 that are connected to the plurality of photodiodes 120 to calculate information for analyzing radiation doses and nuclides by analyzing the electrical signals transmitted from the photodiodes 120. ,
The photodiode 120 may include a first photodiode 121 having a relatively large size, a second photodiode 122 having a relatively smaller size than the first photodiode 121, and the second photodiode ( And a third photodiode 123 having a smaller size than 122).
A total of sixteen second photodiodes 122 are arranged in the top, bottom, left, and right sides of the first photodiode 121 installed in the center, and a total of sixteen are arranged in the space between the second photodiodes 122. The third photodiode 123 is disposed,
The detector 130 may include a first detector 131 that receives an electrical signal transmitted from the first photodiode 121, and a second receiver that receives an electrical signal transmitted from the second photodiode 122. It consists of a detector 132, and a third detector 133 for receiving an electrical signal transmitted from the third photodiode 123,
The first detector 131 includes a first amplifier 131a, a first divider 131b, a 1-1 comparator 131c, a 1-2 comparator 131d, a 1-1 counter 131e, and a first detector 131a. It consists of 1-2 counter (131f), the first multiplexer (131g),
The second detector 132 includes a second amplifier 132a, a second divider 132b, a 2-1 comparator 132c, a 2-2 comparator 132d, a 2-1 counter 132e, and a second detector 132a. It consists of a 2-2 counter 132f, a second multiplexer (132g),
The third detector 133 may include a third amplifier 133a, a third divider 133b, a 3-1 comparator 133c, a 3-2 comparator 133d, a 3-1 counter 133e, and a third amplifier 133a. It consists of a 3-2 counter (133f), the third multiplexer (133g),
The gain setting value of the first amplifier 131a, the gain setting value of the second amplifier 132a, and the gain setting value of the third amplifier 133a are different from each other.
Comparator set values of the 1-1 comparator 131c and the 1-2 comparator 131d, comparator set values of the 2-1 comparator 132c and the 2-2 comparator 132d, and the first comparator Comparator set values of the 3-1 comparator 133c and the 3-2 comparator 133d are set differently from each other.
The gain setting value and the comparator setting value are variably set according to the type of radiation to be detected.
Although the pixels 703 and 705 in the periphery of the emission area detect light emission, the pixels 702 and 704 in the center and relatively low in the comparator set value do not detect light emission, or
In the case where pixels having the same comparator set value are consecutive, the pixel is regarded as a bad pixel when no emission is detected at the center pixel even though a signal is detected at the left and right sides based on any one pixel. Radiation measuring device using multiple photodiodes.
상기 방사선측정장치(100)에 포함된 형광체(110)에 방사선이 입력될 때 발생되는 빛을 광다이오드(120)가 감지하는 제1단계와;
검출부(130)가 서로 다른 크기의 다중 광다이오드(120)가 감지한 빛의 세기를 분류하여 측정하는 제2단계와;
상기 검출부(130)가 상기 다중 광다이오드(120)에서 감지되는 영역별 측정값을 생성하는 제3단계와;
방사선분석장치(150)가 상기 검출부(130)로부터 전송된 상기 영역별 측정값에 대한 편차와 편차의 합을 계산하는 제4단계와;
상기 방사선분석장치(150)가 상기 편차 및 상기 편차의 합으로부터 상기 방사선을 방출한 핵종을 결정하는 제5단계;를 포함하는, 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정방법.A method of measuring radiation having a plurality of energies using the radiation measuring apparatus 100 of claim 2,
A first step in which the photodiode 120 senses light generated when radiation is input to the phosphor 110 included in the radiation measuring apparatus 100;
A second step of the detector 130 classifying and measuring the intensity of light detected by the multiple photodiodes 120 having different sizes;
A third step of generating, by the detector 130, a measurement value for each region detected by the multiple photodiode 120;
A fourth step of the radiographic analysis device (150) calculating a deviation and a sum of the deviations of the measured values for each area transmitted from the detection unit (130);
And a fifth step of the radiographic analysis device (150) determining the nuclide that emits the radiation from the deviation and the sum of the deviations.
상기 방사선분석장치(150)는
복수의 핵종에 대해서 영역별 측정값을 서로 비교하고, 상기 영역별 측정값에 대한 상기 편차 및 상기 편차의 합을 계산하고, 상기 편차의 합이 가장 작은 핵종을 상기 방사선을 방출한 핵종으로 결정하는 것을 특징으로 하는, 다중 광다이오드를 이용한 방사선측정방법.The method of claim 6,
The radiation analysis device 150 is
Comparing the measured values for each of the plurality of nuclides with each other, calculating the deviation and the sum of the deviations for the measured values for the regions, and determining the nuclide having the smallest sum of the deviations as the radionuclide that emits the radiation. Radiation measuring method using a multiple photodiode, characterized in that.
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