KR102198511B1 - 우라늄 농축도 측정용 ｃｚｔ 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 측정 현장에서 불순물과 기타 물질로부터 순수하게 우라늄에서 발생되는 감마선만 신속히 분리ㆍ추출할 수 있으면서도, 측정 환경에 따라 원거리에서 장비를 제어하고 계측할 수 있도록 PDA를 탈착ㆍ부착 가능하게 설계 및 제작하였으며, 시료 고정용 홀더 및 어댑터의 별도 제작을 통해 하나의 장비를 이용하여 우라늄 소결체(pellet)부터 UF6 실린더까지 다양한 우라늄 시료를 분석할 수 있는 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 측정 현장에서 불순물과 기타 물질로부터 순수하게 우라늄에서 발생되는 감마선만 신속히 분리ㆍ추출할 수 있으면서도, 측정 환경에 따라 원거리에서 장비를 제어하고 계측할 수 있도록 PDA를 탈착ㆍ부착 가능하게 설계 및 제작하였으며, 시료 고정용 홀더 및 어댑터의 별도 제작을 통해 하나의 장비를 이용하여 우라늄 소결체(pellet)부터 UF6 실린더까지 다양한 우라늄 시료를 분석할 수 있는 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
최근에, 방사선 산업의 발달로 방사선 물질의 누출에 의한 방사선 사고가 증가함에 따라, 방사선 물질을 관리하는 작업자 또는 방사선 계측자에게는 작업 현장에서의 방사선량을 계측하는 방사선 검출 장치의 사용의 의무화 되어 있다.
일반적으로, 방사선을 검출하기 위한 검출기로는, 방사선과 반응하는 검출 물질에 따라, 기체전리를 이용한 검출기, 고체전리를 이용한 반도체 검출기, 섬광작용을 이용한 검출기 등의 다양한 형태의 검출기가 안전조치목적으로 활용되고 있다.
안전조치를 위한 다양한 검출기 중 대표적으로 NaI(Tl) 섬광 검출기와 고순도 게르마늄(HPGe) 반도체 검출기가 활용되고 있다. 특히, NaI(Tl) 섬광 검출기는 요오드(I)를 함유하고 있기 때문에, 유효 원자번호가 크고, 감마선에 대한 검출효율이 좋다는 장점이 있다. 그러나 서로 다른 에너지의 방사선을 구별할 수 있는 에너지 분해능이 뛰어나지 못하다는 단점이 있다.
또한, 상기 HPGe 반도체 검출기는 고체의 전리작용을 이용한 방사선 측정 장비인데, 방사선이 입사하여 생성되는 전자-정공쌍(electron-hole pair)을 이용하여 방사선의 에너지를 측정한다. 여기서, 상기 전자와 정공쌍을 만드는데 필요한 평균에너지(일함수)가 작고, 전자와 정공이 유사한 속도로 빠르게 수집되므로, 신호의 통계적 변동이 작아서 에너지 분해능이 더 우수하다는 장점이 있다. 또한 높은 원자번호와 밀도로 인해 감마선 계측분야에서의 활용도가 높다. 이와 같은 반도체 검출기에는 측정하고자 하는 목적에 따라 다양한 검출기가 존재하며, 대표적으로는, Ge(Li), Si(Li), CdTe, CZT(CdZnTe) 반도체를 이용한 검출기가 있다.
그 중에서, 상기 Ge(Li) 검출기는 사용 및 보관 시 액체질소(77 K)로 냉각이 유지되어야 한다. 이러한 단점을 보완하기 위해 고순도 게르마늄(HPGe) 검출기가 개발되었지만, 상기 HPGe 검출기도 사용할 때에는 반드시 냉각이 유지되어야 하므로, 장비의 유지관리 측면에서 불편한 점이 있다.
이에, 반도체 검출기의 장점은 그대로 유지하되, 장비관리(냉각 등) 부분에서의 효율성을 높이기 위해 CZT(CdZnTe) 반도체 검출기를 이용한 검출기 개발에 착수하였다. 그러나 본 개발 장비에 사용된 CZT 반도체 검출기는 0.3~0.7 cm3의 CZT로, 다른 검출기에 비해 결정(크리스탈)의 크기가 상대적으로 작아 감마선에 대한 검출효율이 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 CZT 검출기의 단점을 극복하면서도 휴대 및 이동을 용이하게 하기 위해 4개의 단일 CZT 검출기가 결합된 CZT 검출기 어레이 기반의 무선통신 임베디드 시스템의 개발을 추구하였다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 휴대성 및 이동성을 향상시키고, 무선통신이 가능하도록 신호처리 모듈이 개선된 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 및 그 작동 방법을 제공하고자 하는 것이다.
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또한, 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 작동 방법은 고전압 발생기에 의해 발생된 고전압이 CZT 검출기 어레이부의 복수의 CZT 검출기에 각기 동일하게 공급되어, 상기 CZT 검출기 어레이부를 작동시키는 단계와; 상기 CZT 검출기 어레이부의 복수의 CZT 검출기에 각기 동일하게 공급된 고전압이 사전 설정된 고전압으로 일정하게 유지되는 지가 고전압 모니터에 의해 모니터링되는 단계와; 상기 고전압 모니터에 의해 모니터링된 고전압이 사전 설정된 고전압보다 낮으면 고전압 발생기가 작동하고, 상기 고전압 모니터에 의해 모니터링된 고전압이 사전 설정된 고전압보다 높으면, 저전압 발생기가 작동되는 단계와; 상기 CZT 검출기 어레이부의 복수의 CZT 검출기에 의해 출력된 전압이 신호 처리 보드에 의해 분석이 가능한 신호로 변환되고 데이터 수집 보드로 전달되어 데이터가 수집되는 단계와; 상기 데이터 수집 보드에 의해 수집된 데이터가 검출된 전류 신호가 WiFi 모듈에 전달되며, 상기 WiFi 모듈에 의해 무선 통신을 통해 데이터 분석부로 송신되는 단계; 및 상기 데이터 분석부에 의해 송신된 데이터가 분석되는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 및 그 작동 방법은 측정 현장에서 불순물과 기타 물질로부터 순수하게 우라늄에서 발생되는 감마선만 신속히 분리ㆍ추출할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 데이터 분석부가 탈ㆍ부착 가능하여, 측정 환경에 따라 원거리에서 장비를 제어하고 계측할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 시료 고정용 홀더 및 어댑터의 별도 제작을 통해 하나의 장비를 이용하여 우라늄 소결체 부터 UF6 실린더까지 다양한 우라늄 시료를 분석할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템의 개략적 구성 블럭도.
도 2는 도 1의 CZT 본체부의 구성 블럭도.
도 3은 도 2의 고전압 공급부의 구성 블럭도.
도 4는 도 2의 데이터 처리, 수집 및 송신부의 구성 블럭도.
도 5는 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템의 작동 순서도.
도 6은 도 2의 데이터 처리, 수집 및 송신부의 데이터 전송 타이밍도.
도 7은 도 1은 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템의 사시도.
도 8a 및 도 8b는 도 7의 데이터 분석부와 경첩 간의 결합관계 도시도.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 경첩과, 지지부, 및 데이터 분석부의 결합관계 도시도.
도 10은 도 3의 CZT 검출기 어레이부의 인가전압 가변에 따른 137Cs 핵종 스펙트럼.
도 11은 단일 CZT 검출기 및 본 발명에 따른 CZT 검출기 어레이의 통합 스펙트럼.
도 12는 본 발명에 따른 CZT 검출기 어레이의 에너지 교정 결과 스펙트럼.
도 13은 본 발명에 따른 CZT 검출기 어레이의 피크 에너지에 따른 선형성 평가 결과 그래프.
도 2는 도 1의 CZT 본체부의 구성 블럭도.
도 3은 도 2의 고전압 공급부의 구성 블럭도.
도 4는 도 2의 데이터 처리, 수집 및 송신부의 구성 블럭도.
도 5는 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템의 작동 순서도.
도 6은 도 2의 데이터 처리, 수집 및 송신부의 데이터 전송 타이밍도.
도 7은 도 1은 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템의 사시도.
도 8a 및 도 8b는 도 7의 데이터 분석부와 경첩 간의 결합관계 도시도.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 경첩과, 지지부, 및 데이터 분석부의 결합관계 도시도.
도 10은 도 3의 CZT 검출기 어레이부의 인가전압 가변에 따른 137Cs 핵종 스펙트럼.
도 11은 단일 CZT 검출기 및 본 발명에 따른 CZT 검출기 어레이의 통합 스펙트럼.
도 12는 본 발명에 따른 CZT 검출기 어레이의 에너지 교정 결과 스펙트럼.
도 13은 본 발명에 따른 CZT 검출기 어레이의 피크 에너지에 따른 선형성 평가 결과 그래프.
이하, 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통하여 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 및 그 작동 방법을 보다 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 클라이언트나 운용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면 전체에 걸쳐 같은 참조번호는 같은 구성 요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템의 개략적 구성 블럭도이며, 도 2는 도 1의 CZT 본체부의 구성 블럭도이며, 도 3은 도 2의 고전압 공급부의 구성 블럭도이며, 도 4는 도 2의 데이터 처리, 수집 및 송신부의 구성 블럭도이며, 도 5는 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템의 작동 순서도이며, 도 6은 도 2의 데이터 처리, 수집 및 송신부의 데이터 전송 타이밍도이며, 도 7은 도 1은 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템의 사시도이며, 도 8a 및 도 8b는 도 7의 데이터 분석부와 경첩 간의 결합관계 도시도이며, 도 9a 및 도 9b는 도 8의 경첩과, 지지부, 및 데이터 분석부의 결합관계 도시도이며, 도 10은 도 3의 CZT 검출기 어레이부의 인가전압 가변에 따른 137Cs 핵종 스펙트럼이며, 도 11은 단일 CZT 검출기 및 본 발명에 따른 CZT 검출기 어레이의 통합 스펙트럼이며, 도 12는 본 발명에 따른 CZT 검출기 어레이의 에너지 교정 결과 스펙트럼이며, 도 13은 본 발명에 따른 CZT 검출기 어레이의 피크 에너지에 따른 선형성 평가 결과 그래프이다.
이제, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템을 살펴보고자 한다.
본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템은 CZT 본체부(100) 및, 상기 CZT 본체부(100)로부터 송신된 데이터를 분석하기 위한 데이터 분석부(200)로 구성된다.
여기서, 상기 CZT 본체부(100)는 4개의 단일 CZT 검출기가 결합된 CZT 검출기 어레이부(110)와, 상기 CZT 검출기 어레이부(110)와 연결되어 상기 4개의 단일 CZT 검출기에 각각 고전압을 공급하여 상기 CZT 검출기 어레이부(110)를 구동하기 위한 고전압 공급부(130), 및 상기 CZT 검출기 어레이부(110)와 연결되어, 상기 4개의 단일 CZT 검출기로부터 검출된 데이터를 처리, 수집 및 송신하기 위한 데이터 처리, 수집 및 송신부(150)로 구성된다.
또한, 상기 CZT 검출기 어레이부(110)는 각각 0.3~0.7 cm3의 CZT/500의 단일 CZT 검출기 4개를 결합시켜 감마선에 대한 검출효율을 높인 상온에서 사용가능한 CZT 검출기 어레이이다.
또한, 상기 고전압 공급부(130)는 고전압을 발생하고 발생된 고전압을 상기 CZT 검출기 어레이부(110)에 공급하기 위한 고전압 발생기(131)와, 상기 고전압 발생기(131)에 연결되고 상기 CZT 검출기 어레이부(110)에 저전압을 공급하기 위한 저전압 발생기(133)와, 상기 고전압 발생기(131)와 연결되어 상기 CZT 검출기 어레이부(110)에 공급되는 고전압의 전압량을 모니터링하기 위한 고전압 모니터(135), 및 상기 고전압 발생기(131)와, 저전압 발생기(133), 및 고전압 모니터(135)와 각기 연결되어 이들을 제어하기 위한 제1 MCU(137)로 구성된다.
또한, 상기 데이터 처리, 수집 및 송신부(150)는 상기 CZT 검출기 어레이부(110)로부터의 전압을 신호로 변경하기 위한 신호 처리 보드(151)와; 상기 신호 처리 보드(151)와 연결되어 변경된 신호로부터 데이터를 수집하기 위한 데이터 수집 보드(152)와; 상기 데이터 수집 보드(152)와 연결되어 상기 수집된 데이터를 데이터 분석부(200)로 송신하고 상기 데이터 분석부(200)로부터의 요청을 수신하기 위한 WiFi 모듈(153)과; 상기 신호 처리 보드(151), 데이터 수집 보드(152), WiFi 모듈(153)과 각기 연결되어 이들을 제어하기 위한 제2 MCU(154)와; 상기 신호 처리 보드(151), 데이터 수집 보드(152), WiFi 모듈(153), 및 제2 MCU(154)와 각기 연결되어 이들을 작동시키기 위한 저전압을 공급하기 위한 저전압 공급 모듈(155); 및 상기 저전압 공급 모듈(155)과 데이터 분석부(200)에 연결되어 전원을 공급하기 위한 배터리(156)로 구성된다.
또한, 상기 데이터 분석부(200)는 데이터 처리, 수집 및 송신부(150)와 무선통신으로 연결되어 상기 데이터 처리, 수집 및 송신부(150)로부터 송신된 데이터를 분석한다.
또한, 상기 신호 처리 보드(151)는 임피던스를 매칭하기 위한 임피던스 매칭회로(미도시)와, 상기 임피던스 매칭회로와 연결되어 베이스 라인을 조정하기 위한 베이스 라인 조정 회로(미도시)와, 상기 베이스 라인 조정 회로에 연결되어 노이즈를 제거하기 위한 노이즈 필터(미도시), 상기 노이즈 필터와 연결된 고주파 증폭회로(미도시)를 포함하는데, 상기 CZT 검출기 어레이부(110)의 4개의 CZT 검출기에 의해 출력된 전압은 상기 신호 처리 보드(151)에 의해 신호로 변환되는데, 상기 변환된 신호는 상기 임피던스 매칭회로, 베이스 라인 조정 회로, 노이즈 필터, 고주파 증폭회로를 통과함으로써 가공된다.
또한, 데이터 수집 보드(152)는 데이터 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC(미도시) 및 데이터 처리 및 수집을 위한 FPGA((Field Programmable Gate Array/미도시)를 포함하며, 상기 ADC 및 FPGA는 제2 MCU(154)에 의해 제어된다.
이하, 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템의 작동을 살펴보고자 한다.
먼저, 고전압 발생기(131)에 의해 발생된 고전압이 상기 CZT 검출기 어레이부(110)의 4개의 CZT 검출기에 각기 동일하게 공급되어, 상기 CZT 검출기 어레이부(110)를 작동시킨다(S510).
이후, 상기 CZT 검출기 어레이부(110)의 4개의 CZT 검출기에 각기 동일하게 공급된 고전압이 사전 설정된 고전압으로 일정하게 유지되는 지가 고전압 모니터(135)에 의해 모니터링된다(S520).
그 후, 상기 고전압 모니터(135)에 의해 모니터링된 고전압이 사전 설정된 고전압보다 낮으면 상기 고전압 발생기(131)가 작동하고, 상기 고전압 모니터(135)에 의해 모니터링된 고전압이 사전 설정된 고전압보다 높으면, 상기 저전압 발생기(133)가 작동된다(S530). 여기서, 상기 고전압 모니터(135)에 의해 모니터링된 고전압이 사전 설정된 고전압보다 낮으면, 상기 고전압 모니터(135)가 이러한 상황을 제1 MCU(137)로 전달하고, 상기 제1 MCU(137)가 상기 고전압 발생기(131)의 작동을 제어하여 상기 CZT 검출기 어레이부(110)의 4개의 CZT 검출기에 각기 동일하게 공급되는 고전압이 사전 설정된 전압을 유지하도록 고전압을 높이게 되며, 이와 반대로, 상기 고전압 모니터(135)에 의해 모니터링된 고전압이 사전 설정된 고전압보다 높으면, 상기 고전압 모니터(135)가 이러한 상황을 제1 MCU(137)로 전달하고, 상기 제1 MCU(137)가 상기 저전압 발생기(131)의 작동을 제어하여 상기 CZT 검출기 어레이부(110)의 4개의 CZT 검출기에 각기 동일하게 공급되는 고전압이 사전 설정된 전압을 유지하도록 고전압을 낮추게 된다. 상기 고전압은 사전 설정된 800 V 내지 1200 V로 유지되는 것이 바람직하다.
이후, 상기 CZT 검출기 어레이부(110)의 4개의 CZT 검출기에 의해 출력된 전압이 신호 처리 보드(151)에 의해 분석이 가능한 신호로 변환되고 데이터 수집 보드(152)로 전달되어 데이터가 수집된다(S540). 여기서, 상기 데이터 수집을 위해, 전체 메모리가 초기화되고, ADC를 프리런닝(free running)을 동작시킨다. 이에 따라 상기 ADC는 새로 입력되는 신호를 구분하기 위해, 외부로부터 신호를 받지 않고, 스스로 반복 동작하는 상태가 되며, 상기 ADC를 거쳐 디지털 신호로 변환된 신호가 FPGA에 입력되는데, 상기 입력된 신호는 하나의 방사선 신호를 120 MHz 주기로 수집된 데이터이다. 상기 수집된 데이터가 일정 기준 값보다 크지 않아 신호로 인식되지 않을 때, 베이스 라인 트렉커(미도시)가 베이스라인(기준 전압, 0 V)을 감시하고 조정하는 역할을 하며, 연속적으로 신호가 유입되지 않는 구간에서 평균값을 수집한다. 이 때, 최소 20개 이상의 데이터에 대해 윈도우 슬라이딩(window sliding) 방식으로 평균값을 추적하고 산술적으로 감(減)함으로써, 신호 왜곡을 최소화한다.
그 후, 상기 데이터 수집 보드(152)에 의해 수집된 데이터가 검출된 전류 신호가 WiFi 모듈(153)에 전달되며, 상기 WiFi 모듈(153)에 의해 무선 통신을 통해 데이터 분석부(200)로 송신된다(S550).
이후, 상기 데이터 분석부(200)에 의해 송신된 데이터가 분석된다(S560). 여기서, 상기 데이터 분석부(200)는 랩톱, PDA 등이 사용된다.
한편, 상기 신호 처리 보드(151), 데이터 수집 보드(152), WiFi 모듈(153)은 제2 MCU(154)에 의해 각기 제어되며, 상기 신호 처리 보드(151), 데이터 수집 보드(152), WiFi 모듈(153), 제2 MCU(154)는 저전압 공급 모듈(155)과 각기 연결되어 작동을 위한 저전압을 공급받는데, 상기 저전압 공급 모듈(155)은 배터리(156)와 연결되어 있다. 여기서, 상기 배터리는 Li-ion 배터리이며, 상기 배터리(156)는 또한 상기 데이터 분석부(200)를 충전시킨다.
이제, 도 6을 참조하여 FPGA와 제2 MCU(154) 간의 데이터 통신 타이밍을 살펴보고자 한다.
도 6에서, "Start" 신호는 FPGA가 데이터를 수집하도록 제2 MCU(154)에서 보내는 신호이다.
"Read" 신호는 제2 MCU(154)에서 FPGA로 보내는 신호로, 상기 FPGA가 데이터를 보낼 준비가 되어있는지 확인하며, 상기 FPGA의 데이터 유무를 확인한다. 상기 FPGA에 데이터가 있는 경우, 데이터 있음을 제2 MCU(154)에게 전달하기 위해 "Empty" 신호를 '0'으로 변경하여 송신한다.
최종적으로 상기 제2 MCU(154)는 FPGA에 데이터가 있음을 확인하고 "Clock" 신호를 생성하여 상기 FPGA 내의 메모리를 WiFi 모듈(153)로 전송한다.
또한, 상기 WiFi 모듈(153)은 수집된 데이터를 데이터 분석부(200)로 송신하는 역할을 수행한다. 상기 WiFi 모듈(153)은 초저전력 소자이며, 최대 160 MHz의 클럭 속도로 동작할 수 있으며, RTOS (Real Time Operation System)를 이용하여 성능이 우수하고 매우 안정적으로 사용할 수 있다.
이제, 도 7 내지 도 9b를 참조하여, 본 발명에 따른 CZT 본체부(100)와 데이터 분석부(200) 간의 결합관계를 살펴보고자 한다.
상기 CZT 본체부(100)와 데이터 분석부(200) 간의 결합은 굴절과 회전이 자유로운 경첩(300)과 상기 경첩(300)에 결합되는 지지부(400)에 의해 이루어진다.
상기 경첩(300)이 결합 나사 등에 의해 상기 CZT 본체부(100)에 결합되고, 상기 경첩(300)에 결합 나사 등에 의해 지지부(400)가 결합되는 순서로 결합된다. 다만 이에 한정되는 것이 아니라 결합되는 순서가 뒤바뀌어도 무방하다.
상기 지지부(400)는 상하로 연장되는 지지아암(410)을 구비하고 있어, 상기 지지부(400)에 결합되는 데이터 분석부(200)의 사이즈에 맞추어 상기 지지아암(410)이 상하로 연장되어 상기 데이터 분석부(200)를 지지하게 된다.
또한, 상기 CZT 본체부(100)의 일측면에 돌출되게 장착된 굴절 및 회전이 자유로운 경첩(300)의 홀(미도시)을 통해 상기 CZT 본체부(100)로부터 연장된 마그네틱 연결 방식의 케이블(130)이 연장되게 장착되어 있으며, 상기 데이터 분석부(200)의 충전부에 착탈식으로 마그네틱 돌출부(210)가 장착되어 있다. 따라서, 상기 케이블(130)이 상기 마그네틱 돌출부(210)에 연결되면, 상기 CZT 본체부(100)의 배터리(156)를 통해 상기 데이터 분석부(200)를 충전시킬 수 있다. 여기서, 상기 데이터 분석부(200)의 충전부에 착탈식으로 장착되는 마그네틱 돌출부(210)는 상기 케이블(130)과 연결되기 위한 일종의 자석식 젠더일 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니라 상기 마그네틱 돌출부(210)는 상기 데이터 분석부(200)의 충전부가 아닌 상기 데이터 분석부(200)의 일측면에 장착되어 상기 케이블(130)과 연결되기 위한 단순한 마그네틱 방식 돌출부 일 수도 있다. 이경우, 상기 데이터 분석부(200)의 충전을 위해 별도의 케이블(미도시)을 이용하여 상기 CZT 본체부(100)와 데이터 분석부(200)가 연결될 수도 있다.
상기 케이블(130)과 마그네틱 돌출부(210)는 마그네틱 방식으로 연결되기에, 상기 데이터 분석부(200)의 회전에 의한 상기 케이블(130)의 꼬임과 이로인한 단선이 방지된다.
이제, 도 10 내지 도 13을 참조하여, 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템의 성능을 평가하고자 한다.
일반적으로 방사선 검출기의 성능 평가는 자연 방사선 측정, 에너지 교정, 감마 선원 측정, 우라늄 농축도 측정, 및 계측 결과 저장을 순서대로 실행하는 우라늄 농축도 분석 프로그램에 의해 이루어 진다.
상기 자연 방사선 측정은 정확한 우라늄 농축도 분석 시, 주변 방사선의 간섭 및 영향을 줄이기 위해서는 반드시 진행되어야 한다.
상기 에너지 교정은 방사선 검출기로부터 입력된 채널 정보를 에너지 정보로 변환하는 과정을 의미한다. 일반적으로 에너지 교정은 기존의 공지된 선원과 에너지를 이용하여, 측정된 스펙트럼의 채널 정보와의 상관관계를 산출하여 적용한다. 여기서 채널은 측정하고자하는 방사선의 에너지의 측정 범위를 의미하는 것으로, 개발 장비에서 목표로 하는 에너지 측정 범위는 20 keV ∼ 2,000 keV이다.
정확한 에너지 교정을 위해, 3개 이상의 에너지 정보를 이용하여 에너지 교정을 수행하며, 상관관계를 이용하여 2차 방정식의 에너지 교정식을 생성한다. 상기 에너지 교정은기존에 측정된 에너지 교정 정보를 사용하거나 새로 에너지 교정을 수행하여 적용할 수 있다
하기의 표 1에는 저 에너지 영역, 중간 에너지 영역, 고 에너지 영역의 에너지 정보를 제공할 수 있는 에너지 교정용 핵종을 나타내었다.
| 핵종 | 에너지 |
| 57Co | 122 keV |
| 137CS | 32,662 keV |
| 60Co | 1173, 1332 keV |
한편, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템의 성능 평가는 137CS 감마표준선원으로 수행되었으며, CZT 검출기 어레이부의 각 CZT 검출기 별로 인가 전압에 따른 측정결과를 통해 에너지 분해능이 우수한 인가전압을 선정하였다.
이하, 표 2에는 검출기의 인가전압 가변에 따른 에너지 분해능을 나타내었다.
| 검출기 # | 인가전압(V) | 에너지 분해능(%) |
| 670 |
900 | 4% 초과 |
| 1000 | 2.73 | |
| 1100 | 2.77 | |
| 671 |
800 | 4% 초과 |
| 900 | 3.59 | |
| 1000 | 3.63 | |
| 246 |
1100 | 2.98 |
| 1200 | 3.01 | |
| 1300 | 3.16 | |
| 245 |
1300 | 3.22 |
| 1400 | 2.67 | |
| 1500 | 2.49 |
상기 표 2에서 알 수 있듯이, 검출기 #670은 인가전압이 1000 V일시에, 에너지 분해능이 우수하며, #671은 인가전압이 900 V일시에, 에너지 분해능이 우수하며, #246은 인가전압이 1100 V일시에, 에너지 분해능이 우수하며, #245은 인가전압이 1500 V일시에, 에너지 분해능이 우수하다.
상기 CZT 검출기 어레이부의 각 CZT 검출기에 고전압을 100 V씩 가변시키며, 에너지 분해능을 확인하였는데, 도 10은 검출기 #670에 각각 900 V, 1000 V, 1100 V를 인가했을 때의 스펙트럼을 나타낸 것으로, 도 1O을 통해 알 수 있듯이, 인가되는 고전압에 따라 스펙트럼 왜곡이 발생하는 것이 확인되었다.
상기 에너지 분해능은 최적의 인가전압을 기준으로, 137Cs 선원을 CZT 검출기 어레이 중앙에 위치시킨 후 137Cs의 662 keV에 대해 계측을 진행하였다. 각각의 CZT 검출기의 스펙트럼을 비교한 결과, 상기 검출기가 갖는 특성에 따라 검출기별 수집된 스펙트럼이 조금씩 다른 것이 확인되었다. 스펙트럼 합산 과정을 통해 생산된 합산 스펙트럼과 4개의 단일 CZT 검출기의 스펙트럼은 도 11에 도시된 바와 같다.
또한, 각 검출기의 측정 가능한 에너지 범위가 동일한지 확인하기 위해. 57Co와 137Cs 선원을 이용하여 측정을 진행하였고, 57Co의 122 keV와 137Cs의 662 keV를 이용하여 채널에 해당하는 에너지로 환산하기 위해 1차 방정식(y = ax + b)을 도출 하였다.
이하 표 3은 각 검출기의 채널 별 최대 측정 가능한 에너지 범위와 평균과의 오차를 나타내었다.
| 검출기 | a | b | 에너지 범위(keV) | 에너지 범위 오차(%) |
| 1 | 0.451046 | 13.39582 | 1861 | 0.22 |
| 2 | 0.449461 | 14.23452 | 1855 | 0.11 |
| 3 | 0.442311 | 13.90423 | 1850 | 0.38 |
| 4 | 0.451231 | 14.12356 | 1862 | 0.27 |
표 3을 통해 알 수 있듯이, 검출기의 특성이 다르기 때문에 동일한 a, b 값이 도출되지 않았다. 4개의 CZT 검출기의 최대 측정 가능한 에너지 범위의 평균은 1857 keV이며, 평균을 기준으로 각각의 검출기에 대한 오차는 모두 1% 이내임을 확인하였다. 이러한 과정을 통해 목표한 2,000 keV라는 범위 보다 측정 가능한 최대 에너지 범위가 조금 낮았지만, 각각의 CZT 검출기가 일정한 범위를 갖는 것을 통해, 4개의 검출기가 하나의 시스템으로 작동하는데 문제가 없을 것이라고 판단된다.
표 3와 같이 도출된 교정식을 적용하여, 다양한 감마선원(22Na(511 keV, 1274 keV)와 57Co(122 keV), 137Cs(662 keV))에 대한 교정 결과를 확인하고자 각 핵종별로 수집된 스펙트럼은 도 12에 나타난 바와 같고, 각 핵종별 피크 에너지에 대한 오차를 정리한 결과를 이하 표 4에 나타내었다.
| 핵종 | 채널 | 여기된 에너지(keV) | 측정된 에너지(keV) | 에러(%) |
| 57Co | 243 | 122 | 123 | 0.8 |
| 137Cs | 1449 | 662 | 667 | 0.7 |
| 22Na |
1105 | 511 | 512 | 0.2 |
| 2789 | 1274 | 1271 | 0.2 |
표 4에서 알 수 있듯이, 측정된 채널을 환산한 에너지와 본래 알고 있던 에너지 피크와의 오차는 모두 1% 이하이다.
또한, 선형 회귀분석을 이용한 선형성 평가에서도 R2=09997로 매우 우수한 선형성을 보이고 있다. 이러한 결과가 도 13에 도시된 바와 같다.
상술한 바와 같은 성능평가를 통해 4개의 검출기가 모두 다른 특성을 가지지만, 동일한 성능을 보일 수 있도록 충분히 설계가 된 것으로 판단할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템은 측정 현장에서 불순물과 기타 물질로부터 순수하게 우라늄에서 발생되는 감마선만 신속히 분리ㆍ추출할 수 있다. 또한, 데이터 분석부가 탈ㆍ부착 가능하여, 측정 환경에 따라 원거리에서 장비를 제어하고 계측할 수 있다. 또한, 시료 고정용 홀더 및 어댑터의 별도 제작을 통해 하나의 장비를 이용하여 우라늄 소결체 부터 UF6 실린더까지 다양한 우라늄 시료를 분석할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 양호한 실시 예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시 예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시 예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 본 발명의 기술적 사상의 요지에 속하는 변화 예나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: CZT 본체부 110: CZT 검출기 어레이부
130: 고전압 공급부 131: 고전압 발생기
133: 저전압 발생기 135: 고전압 모니터
137: 제1 MCU 150:데이터 처리, 수집, 송신부
151: 신호 처리 보드 152: 데이터 수집 보드
153: WiFi 모듈 154: 제2 MCU
155: 저전압 공급 모듈 156: 배터리
200: 데이터 분석부 210: 마그네틱 돌출부
300: 경첩 310: 케이블
400: 지지부 410: 지지아암
130: 고전압 공급부 131: 고전압 발생기
133: 저전압 발생기 135: 고전압 모니터
137: 제1 MCU 150:데이터 처리, 수집, 송신부
151: 신호 처리 보드 152: 데이터 수집 보드
153: WiFi 모듈 154: 제2 MCU
155: 저전압 공급 모듈 156: 배터리
200: 데이터 분석부 210: 마그네틱 돌출부
300: 경첩 310: 케이블
400: 지지부 410: 지지아암
Claims (12)
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- 고전압 발생기(131)에 의해 발생된 고전압이 CZT 검출기 어레이부(110)의 복수의 CZT 검출기에 각기 동일하게 공급되어, 상기 CZT 검출기 어레이부(110)를 작동시키는 단계(S510)와;
상기 CZT 검출기 어레이부(110)의 복수의 CZT 검출기에 각기 동일하게 공급된 고전압이 사전 설정된 고전압으로 일정하게 유지되는 지가 고전압 모니터(135)에 의해 모니터링되는 단계(S520)와;
상기 S520 단계에서, 고전압 모니터(135)에 의해 모니터링된 고전압이 사전 설정된 고전압보다 낮으면 고전압 발생기(131)가 작동하고, 상기 고전압 모니터(135)에 의해 모니터링된 고전압이 사전 설정된 고전압보다 높으면, 저전압 발생기(133)가 작동되는 단계(S530)와;
상기 CZT 검출기 어레이부(110)의 복수의 CZT 검출기에 의해 출력된 전압이 신호 처리 보드(151)에 의해 분석이 가능한 신호로 변환되고 데이터 수집 보드(152)로 전달되어 데이터가 수집되는 단계(S540)와;
상기 데이터 수집 보드(152)에 의해 수집된 데이터가 검출된 전류 신호가 WiFi 모듈(153)에 전달되며, 상기 WiFi 모듈(153)에 의해 무선 통신을 통해 데이터 분석부(200)로 송신되는 단계(S550); 및
상기 데이터 분석부(200)에 의해 송신된 데이터가 분석되는 단계(S560)를 포함하는 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 작동 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 단계 S530에서,
고전압 모니터(135)에 의해 모니터링된 고전압이 사전 설정된 고전압보다 낮으면 상기 고전압 모니터(135)가 이러한 상황을 제1 MCU(137)로 전달하고, 상기 제1 MCU(137)가 상기 고전압 발생기(131)의 작동을 제어하여 상기 CZT 검출기 어레이부(110)의 복수의 CZT 검출기에 각기 동일하게 공급되는 고전압이 사전 설정된 전압을 유지하도록 고전압을 높이게 되며;
상기 고전압 모니터(135)에 의해 모니터링된 고전압이 사전 설정된 고전압보다 높으면, 상기 고전압 모니터(135)가 이러한 상황을 제1 MCU(137)로 전달하고, 상기 제1 MCU(137)가 상기 저전압 발생기(133)의 작동을 제어하여 상기 CZT 검출기 어레이부(110)의 복수의 CZT 검출기에 각기 동일하게 공급되는 고전압이 사전 설정된 전압을 유지하도록 고전압을 낮추게 되는 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 작동 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 단계 S540에서
상기 데이터 수집을 위해, 전체 메모리가 초기화되고, ADC를 프리런닝(free running)으로 동작시키며;
상기 ADC는 새로 입력되는 신호를 구분하기 위해, 외부로부터 신호를 받지 않고, 스스로 반복 동작하는 상태가 되며;
상기 ADC를 거쳐 디지털 신호로 변환된 신호가 FPGA에 입력되고, 상기 FPGA에 입력된 신호는 하나의 방사선 신호를 120 MHz 주기로 수집된 데이터인 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 작동 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 신호 처리 보드(151), 데이터 수집 보드(152), WiFi 모듈(153)은 제2 MCU(154)에 의해 각기 제어되며;
상기 신호 처리 보드(151), 데이터 수집 보드(152), WiFi 모듈(153), 제2 MCU(154)는 저전압 공급 모듈(155)과 각기 연결되어 작동을 위한 저전압을 공급받으며;
상기 저전압 공급 모듈(155)은 배터리(156)와 연결되며;
상기 배터리(156)는 상기 데이터 분석부(200)를 충전시키는 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 작동 방법.
- 청구항 9 있어서,
상기 수집된 데이터가 일정 기준 값보다 크지 않아 신호로 인식되지 않을 때, 베이스 라인 트렉커가 베이스라인을 감시하고 연속적으로 신호가 유입되지 않는 구간에서 평균값을 수집하는 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 작동 방법.
- 청구항 11에 있어서,
상기 평균값을 수집할 시에, 최소 20개 이상의 데이터에 대해 윈도우 슬라이딩(window sliding) 방식으로 평균값을 추적하고 산술적으로 감(減)함으로써, 신호 왜곡을 최소화하는 우라늄 농축도 측정용 CZT 검출기 어레이 기반 임베디드 시스템 작동 방법.
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| JP2001318151A (ja) * | 1994-12-23 | 2001-11-16 | Digirad | 電子回路 |
| JP2002257938A (ja) * | 2001-02-28 | 2002-09-11 | Anzai Medical Kk | 放射線源検出装置および検出方法 |
| KR101750284B1 (ko) * | 2016-08-30 | 2017-06-22 | 유저스(주) | Czt 검출기를 이용한 사용후 핵연료 연소도 검증 시스템 |
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|---|---|---|---|---|
| JP4286338B2 (ja) * | 1998-05-29 | 2009-06-24 | 株式会社東芝 | 核医学診断装置 |
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2019
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|---|---|
| KR20200105100A (ko) | 2020-09-07 |
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