KR102656549B1 - 소형 방사선 검출 장치 - Google Patents

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KR102656549B1
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신상훈
구희권
허민범
김재욱
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Abstract

공중 방사선 측정에 사용되는 소형 방사선 검출 장치에 관한 기술이 개시된다. 제안된 소형 방사선 검출 장치는 원통형 필터와, 그 양단에 체결된 검출기 조립체 및 펌프 조립체를 포함한다. 원통형 필터의 내부 공간에 진공 펌프에 의해 음압이 형성되고, 이에 따라 원통형 필터의 표면에 지속적으로 에어로졸이 포집된다. 원통형 필터의 내부 공간에 위치하는 검출기는 포집된 에어로졸로부터 방사된 방사선을 검출한다.

Description

소형 방사선 검출 장치 {Compact Radiation Detection Apparatus }
방사선 측정에 사용되는 소형 방사선 검출 장치에 관한 기술이 개시된다.
방사선을 측정하는 방법으로 에어 펌프로 가동되는 필터를 통해 에어로졸을 포집하고, 실험실에서 포집된 에어로졸을 정밀한 계측장비로 측정하여 핵종을 추정하거나 방사선의 에너지 스펙트럼을 분석하는 방법이 있다. 이러한 방법은 실시간 계측이 되지 않는다는 점에서 한계가 있다.
출원인에 의해 출원되어 등록된 특허제2,327,710호는 에어로졸을 흡입하면서 방사선을 계측하는 검출장치를 개시하고 있다. 에어로졸은 필터를 통해 포집되고 포집된 에어로졸에서 방사되는 방사선이 검출기에서 검출된다. 이 장치는 에어로졸 농도와 방사선량을 실시간으로 동시에 측정하는 장점을 가지고 있으나, 에어로졸 농도 센서의 아웃렛(outlet)에서 배출된 공기로부터 필터가 에어로졸을 포집하는 구조를 가지고 있어 센싱 효율면에서 불리하다.
제안된 발명은 실시간 공중 방사선 검출 장치의 효율을 개선하는 것을 목적으로 한다.
나아가 제안된 발명은 실시간 공중 방사선 검출 장치를 소형, 경량화하는 것을 목적으로 한다.
나아가 제안된 발명은 에어로졸 포집 기능을 가지는 실시간 공중 방사선 검출 장치의 새로운 구조를 제시하는 것을 목적으로 한다.
나아가 제안된 발명은 에어로졸 포집 기능을 가지는 실시간 공중 방사선 검출 장치의 개선된 구조를 제시하는 것을 목적으로 한다.
나아가 제안된 발명은 유지보수가 편리한 실시간 공중 방사선 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가 제안된 발명은 다양한 환경에서 사물인터넷 센서로 활용할 수 있는 소형 방사선 검출 장치의 구조를 제시하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 양상에 따르면, 원통형 필터의 내부 공간에는 펌프에 의해 음압이 형성되고, 이에 따라 형성된 유체의 흐름으로 인해 원통형 필터의 표면에 포집된 에어로졸로부터 방사된 방사선을 그 원통형 필터의 내부 공간에 위치하는 검출기가 검출한다.
추가적인 발명의 양상에 따라, 펌프 조립체와 검출기 조립체는 필터부의 양단에 각각 탈착 가능하게 체결될 수 있다.
추가적인 발명의 일 양상에 따라 필터 내부 공간에 음압을 형성하기 위해 진공 펌프가 채택될 수 있다.
제안된 발명의 추가적인 양상에 따라, 원통 형상을 가진 필터의 중심축 상에서 중심 부근에 검출기 표면의 중심이 위치하도록 검출기가 지지 고정된다.
본 발명에 의하면, 펌프에 연통된 원통형 필터를 통해 에어로졸을 포집하면서 필터 내부 공간에 위치하는 검출기를 통해 방사선을 검출하는 구조를 통해 정밀 계측을 위해 에어로졸을 포집하는 기능과 실시간 공중 방사선 검출 기능이 하나의 장치로 통합될 수 있다. 나아가 검출기의 검출 영역의 형상과 원통형 필터가 결합하면서 검출 효율이 제고될 수 있다.
나아가 본 발명에 의하면 진공 펌프는 필터에 에어로졸이 대량으로 포집된 상태에서도 계속 가동되므로, 펌프가 고장나거나 포집된 에어로졸이 유실되는 일이 회피될 수 있다. 펌프 조립체와 필터부, 그리고 검출기 조립체가 각각 탈착 가능하게 체결되는 구조를 가져 필터부를 분리하여 포집된 에어로졸의 정밀 계측 작업이 편리할 뿐 아니라 부품의 고장이나 수명이 다했을 때 유지보수가 편리하다.
나아가 본 발명은 소형 경량의 공중 방사선 검출 장치에 적합한 구조를 제시하여, 본 발명에 따른 검출 장치는 탑재 무게에 민감한 드론에 탑재하는데 적합할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 소형 방사선 검출 장치의 외관을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에서 필터부의 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 펌프 조립체의 일 실시예의 구성을 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 실시예에서 검출기 조립체의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 소형 방사선 검출 장치에서 필터부만 중심축을 지나는 평면을 따라 단면으로 도시한 도면이다.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통해 구체화된다. 각 실시예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시예 내에서 또는 타 실시예의 구성 요소들과 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다. 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 기재 내용 혹은 제안된 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
<청구항 1 발명의 설명>
일 양상에 따라, 원통형 필터의 내부 공간에 펌프에 의해 음압이 형성되고, 이에 따라 원통형 필터의 표면에 포집된 에어로졸로부터 방사된 방사선을 그 원통형 필터의 내부 공간에 위치하는 검출기가 검출한다. 도 1은 이러한 양상이 적용된 일 실시예에 따른 소형 방사선 검출 장치의 외관을 도시한 사시도이다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 소형 방사선 검출 장치는 필터부(100)와, 펌프 조립체(300)와, 검출기 조립체(500)를 포함한다.
필터부(100)는 원통 형상을 가지며, 외주면의 적어도 일부에 필터를 포함한다. 펌프 조립체(300)는 필터부(100)의 일단에 체결되고, 필터부(100)에 음압을 제공한다. 검출기 조립체(500)는 필터부(100)의 타단에 체결되고, 펌프 조립체(300)에 의해 형성된 음압에 따라 필터부(100)의 필터에 포집된 에어로졸로부터의 방사선을 필터부(100)의 내부 공간에서 검출한다.
<청구항 2 발명의 설명>
도 2는 도 1에 도시된 실시예에서 필터부의 구성을 도시한 사시도이다. 일 실시예에서, 필터부(100)는 원통형의 필터 하우징(120)과, 그 외주면의 일부에 장착되는 필터(140)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 필터(140)는 필터 하우징(120)의 양단측 외주면을 제외한 가운데 부분에 넓게 장착되어 있다. 필터(140)는 멤브레인 필터, 프리 필터, 헤파 필터, 미디움 필터 중 하나일 수 있다. 내부의 음압에 견딜 수 있도록 필터하우징(120)는 내측에서 필터(140)를 지지한다.
<청구항 3 발명의 설명>
추가적인 발명의 양상에 따라, 펌프 조립체와 검출기 조립체는 필터부의 양단에 각각 탈착 가능하게 체결될 수 있다. 도시된 바와 같이, 필터부(100)는 일단에는 펌프 조립체(300)가 체결되는 펌프 체결공(121)이 형성되고, 타단에는 검출기 조립체(500)가 체결되는 검출기 체결공(123)이 형성되어 있다. 펌프 체결공(121)과 검출기 체결공(123)에는 각각 펌프 조립체(300)와 검출기 조립체(500)가 나사 체결(thread)되는 나사홈들이 형성되어 있다. 도시된 실시예에서 펌프 체결공(121) 측은 개방되어 있다.
<청구항 4 발명의 설명>
추가적인 발명의 일 양상에 따라 필터 내부 공간에 음압을 제공하기 위해 진공 펌프가 채택될 수 있다. 도 3은 이러한 양상이 적용된 펌프 조립체의 일 실시예의 구성을 도시한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 펌프 조립체(300)는 진공펌프(340)와, 회로기판(360)과, 배터리(380)를 포함한다.
진공 펌프(340)는 흡기구(310)로부터 배기구(320)로 공기를 펌핑하여 원통형 필터 내부 공간에 음압을 제공한다. 필터 내부 공간에 형성된 음압으로 인해 필터 표면에 에어로졸이 포집되고 포집된 에어로졸이 탈리되지 않는다. 일반적인 펌프를 적용할 경우 포집된 에어로졸의 양이 증가하면 펌프가 정지되어 포집된 에어로졸이 탈리되거나 에어로졸의 포집량이 제한적일 수 있다. 진공 펌프는 포집된 에어로졸의 양이 증가하고 필터 표면이 거의 막힌 상태에서도 펌프가 정지되지 않아 방사선 계측을 위한 에어로졸 포집에 유리하다. 회로기판(360)에는 진공 펌프의 모터(341)를 구동하는 구동회로가 형성되어 있다. 추가로, 회로기판(360)에는 전원변환회로 등이 형성되어 있을 수 있다. 도시된 실시예에서 배터리(380)는 리튬이온 배터리이며 펌프 조립체(300)의 동작에 필요한 전원을 공급한다. 진공 펌프(340)는 전원이 오프(OFF) 되기 전에는, 예를 들어 검출기 조립체(500)가 필터부(100)로부터 분리되더라도 계속 가동되도록 구동될 수 있다.
<청구항 5 발명의 설명>
진공펌프(340), 회로기판(360), 그리고 배터리(380)는 펌프 하우징(390)에 지지 고정된다. 도시된 실시예에서, 펌프 조립체(300)의 펌프 하우징(390)의 일측에는 필터부(100)의 일단에 체결되는 제1 체결부(391)가 형성되어 있다. 도시된 실시예에서, 제1 체결부(391)는 필터부(100)의 펌프 체결공(121)에 스레드체결된다. 추가로 펌프 하우징(390)의 제1 체결부(391) 측으로 필터부(100)를 폐쇄하기 위해 제1 격벽(393)이 형성되어 있다. 필터부(100)를 펌프 조립체(300) 측으로 폐쇄하는 격벽은 필터부(100)에 구비될 수도 있다. 예를 들어 펌프체결공(121)이 형성된 필터(100)의 내측에 격벽이 구비될 수도 있다. 제1 격벽(393)의 가운데 흡기구(310)가 형성되어 있다. 진공 펌프(340)의 인렛은 배관을 통해 이 흡기구(310)로 연통되어 있다. 펌프 조립체(300)의 펌프 하우징(390)의 하방으로는 배기구(320)가 형성되어 있다. 진공 펌프(340)의 아웃렛은 배관을 통해 이 배기구(320)로 연통되어 있다.
<청구항 6,7 발명의 설명>
도 4는 도 1에 도시된 실시예에서 검출기 조립체의 일 예를 도시한 사시도이다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 검출기 조립체(500)는 검출기(520)와, 다중채널분석기(540)를 포함한다. 일 실시예에서, 검출기(520)는 CZT(CdZnTe) 유사-반구형 검출기(CZT quasi-hemispherical Detector)일 수 있다. 감마선 검출기 중 CZT 검출기는 실온(Room Temperature) 감마선 검출에 적합하며, Ge 검출기는 액체 질소로 냉각된 상태에서 고해상도 감마선 검출에 적합하고, NaI 검출기는 저해상도 감마선 검출에 적합하다. 제안된 발명은 소형 장치를 지향하므로 CZT 검출기를 채택한다. 이 CZT 검출기는 소형의 광대역 반도체 검출기로, 반구형 검출기가 가지는 구형 가공의 어려움을 고려하여 정육면체 형상을 가지되, 평탄한 표면의 중앙에 양의 접점(Positive contact)을 가지고 육면체의 나머지 표면을 접지하는 구조를 가진다. 전계는 실질적으로 구형(radial)을 가지며 양의 접점 근처에서 훨씬 더 강력하지만 감마선 포집은 넓은 육면체 나머지 표면에서 대부분 일어난다. 일 실시예에서, 검출기(520)는 Ritec사의 DM500 CdZnTe 검출기이다.
다중채널분석기 (MCA : Multi-Channel Analyzer)(540)는 검출기(520)의 출력으로부터 방사선 스펙트럼 정보를 생성한다. 다중채널분석기(540)는 검출기(520)에서 출력되는 검출 신호를 분석하여 각각의 채널에서 설정된 범위의 에너지 값을 가진 방사선의 검출 빈도를 출력할 수 있다. 도시된 실시예에서, 다중채널분석기(540)는 독일 GBS Elektronic GmbH사의 MCA527microE 제품이다.
제시된 실시예에 있어서, 다중채널분석기(540)는 펄스 높이 분석(PHA) 모드, 다중 채널 스케일링(MCS) 모드의 두 가지 모드 중 하나로 동작할 수 있다. 펄스 높이 분석(PHA) 모드에서 수신 펄스는 검출기에서 출력되는 신호의 진폭(피크 전압)을 기준으로 특성화된다. 각 채널은 진폭의 범위에 따라 할당되고, 출력 스펙트럼은 채널별 펄스 수의 히스토그램이다. 다중 채널 스케일링(MCS) 모드에서 다중채널분석기(540)는 시간 경과에 따른 펄스 카운트 속도를 기록한다. 펄스 높이 분석(PHA)과 달리 다중 채널 스케일링(MCS)은 진폭이 다른 펄스를 구별하지 않는다. 대신 설정된 시간 간격 동안 한 채널에서 측정된 모든 카운트를 기록한 후 다음 채널로 전환하여 후속 시간 간격 등을 기록한다.
검출기 조립체(500)는 필터부(100)의 타단에 체결된다. 도시된 실시예에서, 검출기 조립체(500)는 제2 체결부(550)가 필터부(100)의 펌프검출기 체결공(123)에 스레드체결되면서 필터부와 결합된다. 추가로 검출기 조립체(500)의 제2 체결부(550) 측으로 필터부(100)를 폐쇄하기 위해 제2 격벽(570)이 형성되어 있다. 필터부(100)를 펌프 조립체(300) 측으로 폐쇄하는 격벽은 필터부(100)에 구비될 수도 있다. 예를 들어 검출기 체결공(123)이 형성된 필터 하우징(120)의 내측에 격벽이 구비될 수도 있다.
<청구항 8 발명의 설명>
제안된 발명의 추가적인 양상에 따라, 원통 형상을 가진 필터의 중심축 상에서 중심 부근에 검출기 표면의 중심이 위치하도록 검출기가 지지 고정된다. 도 5는 이러한 양상을 설명하기 위해 일 실시예에 따른 소형 방사선 검출 장치에서 필터부(100)만 중심축을 지나는 평면을 따라 단면으로 도시한 도면이다. 방사선 검출 장치의 검출 효율을 높이기 위해서는 검출기(500)와 필터부(10)는 검출기(500)의 검출 영역과 필터(140) 내면 사이의 평균적인 거리가 최소로 되는 위치 관계를 가지는 것이 바람직하다. 제시된 실시예에서, 검출기(520)의 검출 영역이 대략 반구형이므로, 필터 하우징(120)은 검출기(500)의 검출기의 검출 영역의 형상을 따라 검출 영역을 감싸는 형태, 즉 반구형이 바람직하나 검출기 후면에 중심을 가진 반구형 필터를 설치하는 것이 어려우므로 도시된 실시예와 같이 원통형 혹은 원뿔대의 형태를 가지도록 설치할 수 있다. 도시된 바와 같이, 육면체인 검출기(520) 표면 중심은 원통 형상을 가진 필터 하우징(120)의 중심축 상에서 중심 부근에 위치하도록 지지 고정된다. 이에 따라 중심축을 중심으로 검출기(520)의 검출 영역과 필터 하우징(120)의 내주면의 중심이 일치하여 검출 효율이 제고될 수 있다.
<청구항 9 발명의 설명>
추가로, 검출기 조립체(500)는 다중채널분석기(540)의 출력을 외부로 인출하는 커넥터(590)를 더 포함할 수 있다. 제시된 실시예에서, 다중채널분석기(540)는 커넥터(590)를 통해 외부로 데이터를 출력하고 동작 전원을 공급받는다. 도시된 실시예에서, 다중채널분석기(540)의 커넥터(590)는 USB 인터페이스를 지원한다. 예를 들어 커넥터(590)는 방사선 계측 포스트의 데이터 수집기의 커넥터에 연결될 수 있다. 또 다른 예에서, 커넥터(590)는 드론의 통신 모뎀의 커넥터에 연결될 수 있다.
이상에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하는 실시예들을 통해 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이들로부터 당업자라면 자명하게 도출할 수 있는 다양한 변형예들을 포괄하도록 해석되어야 한다. 특허청구범위는 이러한 변형예들을 포괄하도록 의도되었다.
100 : 필터부 120 : 필터 하우징
121 : 펌프 체결공 123 : 검출기 체결공
140 : 필터
300 : 펌프 조립체
310 : 흡기구 320 : 배기구
340 : 진공펌프 341 : 모터
360 : 회로기판
380 : 배터리 390 : 펌프 하우징
391 : 제1 체결부 393 : 제1 격벽
500 : 검출기 조립체
520 : 검출기 540 : 다중채널분석기
550 : 제2 체결부 570 : 제2 격벽
590 : 커넥터

Claims (9)

  1. 양단이 개방된 원통 형상을 가지며, 외주면을 감싸며 장착된 필터를 포함하는 필터부와;
    상기 필터부의 개방된 일단에 착탈 가능하게 체결되고, 상기 필터부에 음압을 제공하는 펌프 조립체와;
    필터부의 개방된 타단에 착탈 가능하게 체결되고, 상기 펌프 조립체에 의해 형성된 음압에 따라 필터부의 필터에 포집된 에어로졸로부터 방출되는 방사선을 필터부 내부 공간에서 검출하되, 그 표면 중심은 원통 형상을 가지는 상기 필터부의 중심축 상에 위치하도록 지지 고정되는 CZT 유사-반구형(quasi-hemispherical) 검출기를 포함하는 검출기 조립체;
    를 포함하며, 필터부를 분리하여 포집된 에어로졸의 정밀 계측 작업이나 유지보수를 할 수 있는 소형 방사선 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 필터부는 :
    멤브레인 필터, 프리 필터, 헤파 필터, 미디움 필터 중 하나인 필터와, 내부의 음압에 대해 필터를 지지하는 원통형의 필터 하우징을 포함하는 소형 방사선 검출 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 펌프 조립체는 :
    진공 펌프와, 진공 펌프를 구동하는 구동 회로가 형성된 회로 기판과, 배터리;를 포함하는 소형 방사선 검출 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 펌프 조립체는 :
    상기 필터부의 일단에 체결되는 제1 체결부와, 상기 제1 체결부 측으로 흡기구가 형성되고, 하방으로 배기구가 형성되며 내부공간에 상기 진공펌프, 회로기판 및 배터리가 지지 고정하는 펌프하우징을 포함하는 소형 방사선 검출 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 검출기 조립체는 :
    검출기 출력으로부터 방사선 스펙트럼 정보를 생성하는 다중채널분석기를 더 포함하는 소형 방사선 검출 장치.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서, 검출기 표면 중심은 원통 형상을 가진 필터부의 중심축 상에서 중심 부근에 위치하도록 지지 고정되는 소형 방사선 검출 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 검출기 조립체는
    다중채널분석기의 출력을 외부로 인출하는 커넥터
    를 더 포함하는 소형 방사선 검출 장치.

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