KR102662744B1 - 방사선 선량의 측정 시스템 및 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

방사선 에너지의 크기와 관계없이 방사선의 선량을 절대적으로 측정할 수 있는 방사선 선량 측정 시스템 및 측정 방법을 제공한다. 방사선 선량 측정 시스템은 i) 코어와 코어에 삽입된 전열 히터를 포함하는 흑연 열량계부, ii) 코어에 삽입된 서미스터(thermistor)를 포함하고, 흑연 열량계부에 방사선을 인가시 서미스터에 의해 코어의 온도 변화를 측정하는 측정부, 및 iii) 온도 변화를 제공받아 온도 변화에 대응해 전열 히터의 전열을 제어하고, 방사선의 선량을 연산하는 제어부를 포함한다. 제어부는 아래의 수학식에 의해 방사선의 선량을 연산한다.

여기서, D는 방사선 선량(J/kg), ΔP는 제어된 전열의 발열량(J/s), △t2는 방사선 인가 시간(s), C는 코어의 열용량(J/K/kg), △T는 방사선 조사 완료 후의 코어의 온도 변화량(K), m는 코어의 질량(kg)이다.

Description

방사선 선량의 측정 시스템 및 측정 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING RADIATION DOSE}
본 발명은 방사선 선량의 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 방사선의 에너지와 관계없이 치료 방사선의 선량, 즉 흡수선량을 절대적으로 측정할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
방사선 치료는 고에너지 방사선을 사용해 암세포를 죽이는 방법이다. 방사선 치료는 수술, 항암 약물 치료와 함께 널리 사용되는 암 치료법 중의 하나이다. 한국에서는 암 환자의 약 30% 이상이 방사선 치료를 받는다. 정확하고 효과적인 방사선 치료를 위해서는 원하는 위치에 원하는 양의 방사량을 조사해야 한다. 이를 위해서는 치료 기기의 정확도를 일정 기준 이상으로 관리해야 한다. 고가의 좋은 기기라 해도 기기간에 방사선학적 차이가 존재한다. 또한, 시간이 지나면서 방사선의 특성 및 선량 등의 변화가 발생한다. 따라서 지속적인 교정으로 치료 기기의 선량을 정확히 유지해야 한다.
나아가, 교정에 사용되는 기준 방사선과 치료 기기에 사용하는 기준 방사선이 다른 문제점이 존재한다. 종래의 방사선 치료기기에는 방사성 동위원소인 코발트 60에서 방출되는 감마선을 이용하였다. 그러나 오늘날에는 의료용 전자선형가속기에서 방출되는 고에너지 엑스선을 주로 사용한다. 고에너지 엑스선은 환자의 체구와 환부의 깊이를 고려해 에너지를 바꿀 수 있고, 건강한 조직에 전달되는 선량을 줄일 수 있으므로, 효과적인 치료가 가능하다. 감마선과 고에너지 엑스선 모두 광자라는 점에서 동일하다. 그러나 에너지가 다르기 때문에 이론적인 관계식을 이용한 보정이 필요하였고, 이로 인해 실제 병원에서 치료에 사용하는 고에너지 엑스선 선량의 불확도는 커질 수 밖에 없었다. 더욱이, 병원마다 사용하는 치료 기기 값의 차이도 커져서 병원별로 치료 품질의 격차가 발생한다.
한국등록특허 제473,074호
방사선 에너지의 크기와 관계없이 방사선의 선량을 절대적으로 측정할 수 있는 방사선 선량의 측정 시스템을 제공하고자 한다. 또한, 전술한 방사선 선량의 측정 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량 측정 시스템은, i) 코어와 코어에 삽입된 전열 히터를 포함하는 흑연 열량계부, ii) 코어에 삽입된 서미스터(thermistor)를 포함하고, 흑연 열량계부에 방사선을 인가시 서미스터에 의해 코어의 온도 변화를 측정하는 측정부, 및 iii) 온도 변화를 제공받아 온도 변화에 대응해 전열 히터의 전열을 제어하고, 방사선의 선량을 연산하는 제어부를 포함한다. 제어부는 하기의 수학식에 의해 방사선의 선량을 연산한다.
여기서, D는 방사선 선량(J/kg), ΔP는 제어된 전열의 발열량(J/s), △t2는 방사선 인가 시간(s), C는 코어의 열용량(J/K/kg), △T는 방사선 조사 완료 후의 코어의 온도 변화량(K), m는 코어의 질량(kg)이다.
코어의 온도는 균일하게 유지될 수 있다. 흑연 열량계부는, i) 코어와의 사이에 진공을 형성하면서 코어를 둘러싸는 내부 자켓, ii) 내부 자켓과의 사이에 진공을 형성하면서 내부 자켓을 둘러싸는 외부 자켓, 및 iii) 외부 자켓과의 사이에 진공을 형성하면서 외부 자켓을 둘러싸는 케이싱을 더 포함할 수 있다. 코어, 내부 자켓, 외부 자켓 및 케이싱은 흑연을 포함할 수 있다.
측정부는 서미스터와 연결되어 서미스터의 전기적 발열률을 측정하는 브릿지 회로를 더 포함할 수 있다. 브릿지 회로는, i) 레지스터, ii) 서미스터와 직렬 연결된 제1 표준 레지스터, iii) 제1 표준 레지스터와 병렬 연결되고, 레지스터와 직렬 연결된 제2 표준 레지스터, 및 iv) 제1 표준 레지스터와 서미스터의 사이와 제2 표준 레지스터와 레지스터 사이에 연결되어 브릿지 회로의 여기 전압을 출력하는 전압원을 포함할 수 있다. 서미스터의 저항은 하기의 수학식에 의해 연산될 수 있다.
여기서, R 1 및 R 2 는 각각 제1 표준 레지스터의 저항이고, Vex는 브릿지 회로의 여기 전압이며, R b 는 레지스터의 저항이며, R th 는 서미스터의 저항이고, V out 은 브릿지 회로의 갭 전압이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량 측정 시스템은 측정부 및 흑연 열량계부와 연결되어 서미스터의 온도 측정값과 전열 히터의 전열 측정값을 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량의 측정 방법은, i) 흑연을 포함하는 코어, 코어의 온도를 측정하는 서미스터(thermistor), 및 코어에 삽입되어 코어에 전열을 공급하는 전열 히터를 포함하는 흑연 열량계부를 제공하는 단계, ii) 코어를 외부로부터 단열시키는 단계, iii) 전열 히터를 통해 코어에 전열을 공급하는 단계, iv) 흑연 열량계부에 방사선을 조사하는 단계, v) 방사선의 조사를 중지하는 단계, vi) 방사선의 조사 전후의 코어의 온도 변화를 측정하는 단계, 및 v) 방사선의 선량을 연산하는 단계를 포함한다.
방사선을 조사하는 단계는 방사선에 의해 코어가 추가적으로 받을 제1 열량과 실질적으로 동일한 제2 열량의 열을 전열을 공급하는 단계에서 빼주는 단계를 포함한다. 방사선의 선량을 연산하는 단계에서, 방사선의 선량은 하기의 수학식에 의해 연산된다.
여기서, D는 방사선 선량(J/kg), ΔP는 제2 열량(J/s), △t2는 방사선의 인가 시간(s), C는 코어의 열용량(J/K/kg), △T는 코어의 온도 변화량(K), m는 코어의 질량(kg)이다.
전열을 공급하는 단계에서, 코어로부터 빠져나가는 열량과 코어에 공급되는 열량이 상호 실질적으로 동일할 수 있다. 코어의 온도가 균일하게 유지될 수 있다.
코어에 전열을 공급하는 단계에서, 전열 히터는 10㎼ 내지 1000㎼의 범위내에서 작동할 수 있다. 흑연 열량계부에 방사선을 조사하는 단계에서부터 방사선의 조사를 중지하는 단계까지의 시간은 2분일 수 있다.
흑연 열량계부를 제공하는 단계에서, 서미스터와 연결된 브릿지 회로는 i) 레지스터, ii) 서미스터와 직렬 연결된 제1 표준 레지스터, iii) 제1 표준 레지스터와 병렬 연결되고, 레지스터와 직렬 연결된 제2 표준 레지스터, 및 iv) 제1 표준 레지스터와 서미스터의 사이와 제1 표준 레지스터와 레지스터 사이에 연결되어 브릿지 회로의 여기 전압을 출력하는 전압원을 포함할 수 있다. 서미스터의 저항은 하기의 수학식에 의해 연산될 수 있다.
여기서, R 1 및 R 2 는 각각 제1 표준 레지스터의 저항이고, Vex는 브릿지 회로의 여기 전압이며, R b 는 레지스터의 저항이며, R th 는 서미스터의 저항이고, V out 은 브릿지 회로의 갭 전압이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량의 측정 방법은 방사선 선량 측정 시스템을 이용한다. 방사선 선량 측정 시스템은, i) 코어와 코어에 삽입된 전열 히터를 포함하는 흑연 열량계부, ii) 코어에 삽입된 서미스터(thermistor)를 포함하고, 흑연 열량계부에 방사선을 인가시 서미스터에 의해 코어의 온도 변화를 측정하는 측정부, 및 iii) 온도 변화를 제공받아 온도 변화에 대응해 전열 히터의 전열을 제어하고, 방사선의 선량을 연산하는 제어부를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량의 측정 방법은 i) 코어를 외부로부터 단열시키는 단계, ii) 전열 히터를 통해 코어에 전열을 공급하는 단계, iii) 흑연 열량계부에 방사선을 조사하는 단계, iv) 방사선의 조사를 중지하는 단계, v) 방사선의 조사 전후의 코어의 온도 변화를 측정하는 단계, 및 vi) 방사선의 선량을 연산하는 단계를 포함한다.
방사선을 조사하는 단계는 방사선에 의해 코어가 추가적으로 받을 제1 열량과 실질적으로 동일한 제2 열량의 열을 전열을 공급하는 단계에서 빼주는 단계를 포함한다. 방사선의 선량을 연산하는 단계에서, 방사선의 선량은 하기의 수학식에 의해 연산된다.
여기서, D는 방사선 선량(J/kg), ΔP는 제2 열량(J/s), △t2는 방사선의 인가 시간(s), C는 코어의 열용량(J/K/kg), △T는 코어의 온도 변화량(K), m는 코어의 질량(kg)이다.
방사선의 에너지와 관계없이 치료 방사선의 선량을 절대적으로 측정할 수 있다. 또한, 상대적 비교가 아닌 절대적 측정이므로, 종래 방식에 비해 훨씬 더 정밀한 측정이 가능하다. 코어의 온도가 거의 일정하게 유지되므로 이를 반복해서 계속 사용할 수 있고 측정 환경을 좀더 신속히 초기화할 수 있어서 병원 진료시 가장 중요한 캘리브레이션 과정의 시간 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량의 측정 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량의 측정 시스템에 포함된 흑연 열량계부의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량의 측정시에 사용된 DC 브리지 회로의 개략적인 도면이다.
도 4은 1의 방사선 선량의 측정 방법의 개략적인 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량의 측정 시스템의 개략적인 블록도이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량의 측정 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 방사선 선량, 즉 흡수 선량은 방사선에 쪼여진 매질이 단위 질량당 흡수한 에너지의 양(J/kg 또는 Gy)으로 정의된다. 도 1의 방사선 선량의 측정 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 방사선 선량의 측정 순서도를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 방사선 선량의 측정 방법은, 흑연 열량계부를 제공하는 단계(S10), 코어를 외부로부터 단열시키는 단계(S20), 전열 히터를 통해 코어에 전열을 공급하는 단계(S30), 흑연 열량계부에 방사선을 조사하는 단계(S40), 방사선의 조사를 중지하는 단계(S50), 방사선의 조사 전후의 코어의 온도 변화를 측정하는 단계(S60), 그리고 방사선의 선량을 연산하는 단계(S70)를 포함한다. 이외에, 방사선 선량의 측정 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.
먼저, 단계(S10)에서는 흑연 열량계부를 제공한다. 열량계부는 방사선 선량에 대체적으로 비례하는 온도 상승량을 측정하여 이로부터 방사선 선량을 추정한다. 특히, 흑연은 인체 구성과 가장 유사한 물과 비슷하면서도 낮은 원자번호를 가져서 물보다 방사선 선량 측정에 유리하다. 즉, 흑연은 물보다 6배 낮은 비열 용량을 가져서 노이즈 대비 신호의 비가 크고, 추가적인 보정이 필요할 수 있는 열적 결함이 없다. 이러한 이유로 인해 본 발명의 일 실시예에서는 흑연을 포함하는 열량계부를 사용한다.
단계(S20)에서는 코어를 외부로부터 단열시킨다. 이하에서는 코어의 단열을 위한 흑연 열량계부의 구조를 도 2를 통하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량의 측정 시스템에 포함된 흑연 열량계부(10)의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 좌측원은 도 2의 중심부(100)를 확대한 우측원의 II-II선을 따라 자른 평면 구조를 나타낸다. 도 2의 흑연 열량계부(10)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 2의 흑연 열량계부(10)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 2의 우측 확대원에 도시한 바와 같이, 흑연 열량계부(10)는 중심부(100)를 포함한다. 중심부(100)는 코어(1001), 내부 자켓(1003), 외부 자켓(1005) 및 케이싱(1007)을 포함한다. 중심부(100)는 흑연들(102, 103)로 둘러싸인다. 흑연 열량계부(10)의 측면에는 진공 펌프가 배치되어 케이싱(1007)을 진공으로 배기한다. 내부 자켓(1003)은 코어(1001)와의 사이에 진공을 형성하면서 코어(1001)를 둘러싼다. 코어(1001)와 내부 자켓(1003)의 사이에 진공이 형성되므로, 코어(1001)와 내부 자켓(1003)은 그 상호간에 열전달이 이루어지지 않는다. 따라서 코어(1001)와 내부 자켓(1003)을 각각 별도로 제어하여 각각 그 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다.
외부 자켓(1005)도 내부 자켓(1003)과의 사이에 진공을 형성한다. 외부 자켓(1005)은 내부 자켓(1003)을 둘러싼다. 케이싱(1007)은 외부 자켓(1005)과의 사이에 진공을 형성한다. 케이싱(1007)은 외부 자켓(1005)을 둘러싸고 외부로 진공 배기된다.
한편, 코어(1001), 내부 자켓(1003), 외부 자켓(1005) 및 케이싱(1007)은 흑연을 포함한다. 흑연은 낮은 비열 용량을 가져서 노이즈 대비 신호의 비가 크고, 열적 결함이 없으므로 방사선의 선량 측정이 용이하다.
도 2의 좌측원에 도시한 바와 같이, 서미스터들(201)과 전열 히터(203)는 코어(1001)와 내부 자켓(1003)에 삽입되어 배치된다. 서미스터들(201)은 μK 단위로 정밀한 온도 측정이 가능하다. 전열 히터(203)는 코어(1001)에 전열을 공급한다. 이를 위해 전열 히터(203)는 전원과 연결된다.
다시 도 1로 되돌아가면, 단계(S30)에서는 전열 히터를 통해 코어에 전열을 공급한다. 즉, 코어를 외부로부터 단열시키면서 전열 히터를 통해 코어에 전열을 공급한다. 그 결과, 코어로부터 빠져나가는 열량과 코어에 공급되는 열량이 평형을 유지한다. 즉, 코어의 온도와 내부 자켓의 온도가 균일하게 유지된다. 이를 위해 전열과 외부로 빠져나가는 열이 상호 균형을 이루어 안정되도록 기다린다.
다음으로, 단계(S40)에서는 흑연 열량계부에 방사선을 조사한다. 즉, 흑연 열량계부를 등온 상태로 유지하면서 흑연 열량계에 방사선을 조사한다. 방사선을 조사하면 코어가 추가적으로 열을 받으므로 열평형이 깨진다. 따라서 방사선에 의해 코어가 추가적으로 받을 열량과 실질적으로 동일한 제2 열량의 열을 전열 히터로부터 빼준다. 전열 히터는 10㎼ 내지 1000㎼의 범위내에서 작동한다. 그 결과, 그 출력되는 열량을 미세하게 조절할 수 있어서 방사선 선량 측정 시스템에 사용하기에 적합하다. 제2 열량은 후속 단계에서 방사선 선량 측정에 사용할 수 있다.
단계(S50)에서는 방사선의 조사를 중지한다. 즉, 흑연 열량계부에 조사된 방사선 선량을 측정하기 위해 방사선의 조사를 중지한다.
그리고 단계(S60)에서는 방사선의 조사 전후의 코어의 온도 변화량을 측정한다. 측정된 코어의 온도 변화량은 후속 단계에서 방사선 선량 측정에 사용할 수 있다.
마지막으로, 단계(S70)에서는 방사선의 선량을 연산한다. 코어의 온도가 일정하게 유지되면서 방사선 조사 중에 전열 히터의 에너지율 보상이 완벽하게 이루어지면 아래의 수학식 1이 성립한다.
[수학식 1]
P irr = △P heater
여기서, △P heater는 전열 히터의 전기적인 열발산률의 변화량이고, P irr은 코어에 인가된 복사 에너지율(J/s)이다. 이 경우, 물에 흡수된 방사선의 선량률()은 아래의 수학식 2로 표시된다. 아래의 수학식 2에서 m은 코어의 질량이다.
[수학식 2]
그러나 에너지율 보상이 이상적이지 않은 경우, 코어로부터의 온도 변화 또는 열전달 등의 다른 변수들을 고려해야 한다. 이 경우, 방사선 선량(D)은 아래의 수학식 3으로부터 얻어진다.
[수학식 3]
수학식 3에서 C는 코어의 열용량(J/K)이고, 는 방사선의 조사 전후 코어의 온도 변화(K)이며, Tcore는 코어의 온도(K)이고, Pheater는 전열 히터의 전기적 발열률(J/s)이며, Ps.h.는 코어의 온도를 측정하기 위한 서미스터의 자체 전기적 발열률(J/s)이고, K는 코어와 내부 자켓 사이의 열전달 계수(J/(Ks))이며, (t 1 , t 2 )는 방사선이 조사되는 시간 영역이다.
실제 방사선의 선량을 측정시 에너지율의 보상은 이상적이지 않다. 따라서 방사선 선량(D)은 실제로는 수학식 3으로부터 얻어진다. 수학식 3의 우항은 2분 동안의 방사선 조사와 그 전후 각각 2분 동안 획득한 측정 데이터를 활용한다. 한편, 수학식 3에서 P s.h.는 아래의 수학식 4에 의해 얻어진다. 이를 도 3을 통하여 좀더 상세하게 설명한다.
[수학식 4]
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량의 측정시에 사용된 DC 브릿지 회로(202)를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 브릿지 회로(202)는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
브릿지 회로(202)는 레지스터(R b ), 제1 표준 레지스터(R 1 ), 제2 표준 레지스터(R 2 ), 서미스터(R th ) 및 전압원(2021)을 포함한다. 제1 표준 레지스터(R 1 )는 서미스터(R th )와 직렬 연결되고, 제2 표준 레지스터(R 2 )는 제1 표준 레지스터(R 1 )와 병렬 연결되고, 레지스터(R b )와 직렬 연결된다. 이로써 브릿지 회로를 형성한다. 그리고 제1 표준 레지스터(R 1 )와 서미스터(R th )의 사이와 제2 표준 레지스터(R 2 )와 레지스터(R b ) 사이에 연결되어 브릿지 회로(202)의 여기 전압을 출력하는 전압원(Vex)을 포함한다.
도 2의 서미스터들(201)은 도 3의 브릿지 회로에 연결된다. 브릿지 회로의 임피던스 변화량은 최소로 유지되므로, 도 2의 코어(1001)의 온도를 정밀하게 측정할 수 있다.
수학식 4를 참조하면, 도 3에서, Vex는 DC 브릿지 회로의 여기 전압이고, R b 는 레지스터의 저항이며, R th 는 서미스터의 저항이다. R b 및 R th 의 크기는 104 Ω이므로, 케이블의 저항은 수학식 4에서 무시된다. 서미스터의 저항은 아래의 수학식 5에서 도 3의 DC 브릿지 회로의 갭 전압(V out )을 읽어서 구한다.
[수학식 5]
여기서, R 1 및 R 2 는 각각 DC 브릿지 회로의 표준 레지스터의 저항이다.
한편, 도시하지는 않았지만, 도 2의 전열 히터(203)는 전열 측정 회로와 연결된다. 전열 측정 회로는 전열 히터(203)에 의해 제공되는 전열을 측정한다.
코어와 내부 자켓 사이의 열전달 계수(J/(Ks))인 K는 아래의 수학식 6을 통하여 얻어진다.
[수학식 6]
여기서, △T core는 방사선이 조사되지 않는 시간 영역(t3, t4)에서의 코어 온도의 변화량이다.
전술한 수학식 3의 우변에 전술한 수학식 4 내지 수학식 6을 대입해 정리하면 아래의 수학식 7이 얻어진다. 즉, 방사선 선량(D)은 아래의 수학식 7을 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
여기서, D는 방사선 선량(J/kg), ΔP는 보상된 전기적 발열량(J/s), △t2는 방사선 인가 시간(s), C는 코어의 열용량(J/K/kg), △T는 방사선 조사 완료 후의 코어의 온도 변화량(K), m은 코어의 질량(kg)이다. 이를 도 4를 통하여 좀더 상세하게 설명한다.
도 4는 도 1의 방사선 선량의 측정 방법의 원리를 개략적으로 나타낸 그래프이다. 좀더 구체적으로, 도 4의 상부 그래프는 시간에 따라 코어의 전열 히터에 공급한 전기적 발열률을 나타내고, 도 4의 하부 그래프는 시간에 따른 코어의 온도 변화를 나타낸다. 도 4의 그래프는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 4의 그래프는 다른 형태로도 변형될 수 있다.
도 4의 상부 그래프에서의 방사선 선량은 ()/m 이다. 빗금 영역( )은 코어의 방사선 흡수에 대해 보상한 미소 전열 히터의 에너지(E com)에 해당된다. 즉, 방사선 조사에 따라 보상한 전열 에너지의 양을 코어의 질량으로 나누어 방사선 선량을 측정한다.
한편, 도 4의 하부 그래프에서의 방사선 선량은 ()/m 이다. 는 부족하거나 과도한 보상 결과로 인한 코어의 온도 변화이다. 즉, 코어의 내부 열에너지의 변화()에 해당된다. 코어의 열 용량에 방사선 조사 완료 후의 코어의 온도 변화량을 곱하고 이를 그 질량으로 나누어 방사선 선량을 측정한다. 그리고 양자를 더하면 방사선 선량을 구할 수 있다.
즉, 도 4의 상부 그래프의 빗금 영역(E com)과 도 4의 하부 그래프의 온도 변화에 해당하는 코어의 내부 열에너지 변화(E therm)을 더해 흡수한 방사선 에너지()를 결정한다. 최종적으로, 흡수선량(D)은 코어의 질량(m)을 고려하여 단위 질량당 흡수한 방사선 에너지(D=E/m)로 결정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 선량 측정 시스템(100)의 개략적인 블록도이다. 도 5의 방사선 선량 측정 시스템(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 방사선 선량의 측정 시스템(100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 방사선 선량 측정 시스템(100)은 흑연 열량계부(10), 측정부(20), 제어부(30) 및 저장부(40)를 포함한다. 흑연 열량계부(10), 측정부(20), 제어부(30) 및 저장부(40)는 각각 상호간에 연결된다. 이외에, 방사선 선량 측정 시스템(100)은 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있다. 흑연 열량계부(10)는 도 2를 통해 상세하게 설명하였으므로, 이하에서는 그 상세한 설명을 생략한다.
측정부(20)는 전술한 도 2의 서미스터(201)(이하 동일)와 이와 연결된 도 3의 브릿지 회로를 포함한다. 그 결과, 코어의 온도 변화를 정밀하게 측정할 수 있다.
제어부(30)는 피드백 회로를 포함할 수 있다. 피드백 회로는 ㎼ 수준의 전력을 미세 제어할 수 있다. 즉, 제어부(30)는 코어의 측정 온도를 제공받아 이에 대응해 피드백 회로를 통해 도 2의 전열 히터(203)가 제공하는 전열을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(30)는 측정부(20)의 측정 데이터에 기초하여 방사선 선량을 연산한다. 측정 데이터는 방사선의 조사에 따라 전열 히터에서 빼주는 열량, 방사선의 인가 시간, 그리고 코어의 온도 변화량 등을 포함한다.
한편, 저장부(40)는 서미스터(201)의 온도 측정값을 저장한다. 또한, 저장부(40)는 전열 히터(203)(도 2에 도시, 이하 동일)에 공급되는 전열과 관련된 측정 회로의 전열 측정값을 읽고 저장한다. 한편, 저장부(40)에는 코어의 열용량과 코어의 질량 등의 데이터도 저장될 수 있다. 저장부(40)는 제어부(30)와 연결되어 제어부(30)에서 방사선 선량의 연산시 필요로 하는 데이터를 저장한다.
그 결과, 제어부(30)는 전술한 수학식 7을 이용하여 방사선의 선량을 바로 연산해 출력할 수 있다. 그 결과, 별도의 냉각 과정 없이 방사선 선량 측정 시스템(100)을 다시 바로 사용할 수 있다. 나아가, 이러한 측정 과정을 반복할 수도 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10. 흑연 열량계부
20. 측정부
30. 제어부
40. 저장부
100. 방사선 선량 측정 시스템
102, 103. 흑연
201. 서미스터
202. 브릿지 회로
203. 전열 히터
1001. 코어
1003. 내부 자켓
1005. 외부 자켓
1007. 흑연
2021. 전압원

Claims (12)

  1. 코어와 상기 코어에 삽입된 전열 히터를 포함하는 흑연 열량계부,
    상기 코어에 삽입된 서미스터(thermistor)를 포함하고, 상기 흑연 열량계부에 방사선을 인가시 상기 서미스터에 의해 상기 코어의 온도를 측정하는 측정부, 및
    상기 온도의 변화를 제공받아 상기 온도 변화에 대응해 상기 전열 히터의 전열을 제어하고, 상기 방사선의 선량을 연산하는 제어부
    를 포함하는 방사선 선량 측정 시스템으로서,
    상기 측정부는 상기 서미스터와 연결되어 상기 서미스터의 전기적 발열률을 측정하는 브릿지 회로를 더 포함하고,
    상기 브릿지 회로는,
    레지스터,
    상기 서미스터와 직렬 연결된 제1 표준 레지스터,
    상기 제1 표준 레지스터와 병렬 연결되고, 레지스터와 직렬 연결된 제2 표준 레지스터, 및
    상기 제1 표준 레지스터와 상기 서미스터의 사이와 상기 제1 표준 레지스터와 상기 레지스터 사이에 연결되어 상기 브릿지 회로의 여기 전압을 출력하는 전압원
    을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 방사선의 선량(D)을 하기의 수학식 A에 의해 연산하는 방사선 선량 측정 시스템.
    [수학식 A]

    여기서, 상기 D는 상기 방사선 선량(J/kg), 상기 C는 상기 코어의 열용량(J/K)이고, 상기 는 방사선의 조사 전후 상기 코어의 온도 변화(K)이며, 상기 Tcore는 상기 코어의 온도(K)이고, 상기 Pheater는 상기 전열 히터의 전기적 발열률(J/s)이며, 상기 Ps.h.는 상기 코어의 온도를 측정하기 위한 상기 서미스터의 자체 전기적 발열률(J/s)로서 하기의 수학식 B에 의해 연산되고, 상기 K는 상기 코어와 상기 내부 자켓 사이의 열전달 계수(J/(Ks))로서 하기의 수학식 C에 의해 연산되며, 상기 (t1 , t2 )는 방사선이 조사되는 시간 영역임
    [수학식 B]

    여기서, 상기 Vex 는 상기 브릿지 회로의 여기 전압이며, 상기 Rb 는 상기 레지스터의 저항이며, 상기 Rth 는 상기 서미스터의 저항임
    [수학식 C]

    여기서, 상기△T core는 방사선이 조사되지 않는 시간 영역(t3, t4)에서의 코어 온도의 변화량임
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 흑연 열량계부는,
    상기 코어와의 사이에 진공을 형성하면서 상기 코어를 둘러싸는 내부 자켓,
    상기 내부 자켓과의 사이에 진공을 형성하면서 상기 내부 자켓을 둘러싸는 외부 자켓, 및
    상기 외부 자켓과의 사이에 진공을 형성하면서 상기 외부 자켓을 둘러싸는 케이싱
    을 더 포함하고,
    상기 코어, 상기 내부 자켓, 상기 외부 자켓 및 상기 케이싱은 흑연을 포함하는 방사선 선량 측정 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 서미스터의 저항(Rth )은 하기의 수학식 D에 따라 연산되는 방사선 선량의 측정 시스템.
    [수학식 D]

    여기서, 상기 R1 은 상기 제1 표준 레지스터의 저항이고, 상기 R2 는 상기 제2 표준 레지스터의 저항이며, 상기 Vout 은 상기 브릿지 회로의 갭 전압임
  5. 제1항에서,
    상기 측정부 및 상기 흑연 열량계부와 연결되어 상기 서미스터의 온도 측정값과 상기 전열 히터의 전열 측정값을 저장하는 저장부를 더 포함하는 방사선 선량 측정 시스템.
  6. 흑연을 포함하는 코어,
    상기 코어의 온도를 측정하는 서미스터(thermistor), 및
    상기 코어에 삽입되어 상기 코어에 전열을 공급하는 전열 히터
    를 포함하는 흑연 열량계부를 제공하는 단계,
    상기 코어를 외부로부터 단열시키는 단계,
    상기 전열 히터를 통해 상기 코어에 전열을 공급하는 단계,
    상기 흑연 열량계부에 방사선을 조사하는 단계,
    상기 방사선의 조사를 중지하는 단계,
    상기 방사선의 조사 전후의 상기 코어의 온도를 측정하는 단계, 및
    상기 방사선의 선량을 연산하는 단계
    를 포함하는 방사선 선량의 측정 방법으로서,
    상기 흑연 열량계부를 제공하는 단계에서, 상기 서미스터와 연결된 브릿지 회로는,
    레지스터,
    상기 서미스터와 직렬 연결된 제1 표준 레지스터,
    상기 제1 표준 레지스터와 병렬 연결되고, 레지스터와 직렬 연결된 제2 표준 레지스터, 및
    상기 제1 표준 레지스터와 상기 서미스터의 사이와 상기 제1 표준 레지스터와 상기 레지스터 사이에 연결되어 상기 브릿지 회로의 여기 전압을 출력하는 전압원
    을 포함하고,
    상기 방사선을 조사하는 단계는 상기 방사선에 의해 상기 코어가 추가적으로 받을 제1 열량과 실질적으로 동일한 제2 열량의 열을 상기 전열을 공급하는 단계에서 빼주는 단계를 포함하고,
    상기 방사선의 선량을 연산하는 단계에서, 상기 방사선의 선량은 하기의 수학식 A에 의해 연산되는 방사선 선량의 측정 방법.
    [수학식 A]

    여기서, 상기 D는 상기 방사선 선량(J/kg), 상기 C는 상기 코어의 열용량(J/K)이고, 상기 는 방사선의 조사 전후 상기 코어의 온도 변화(K)이며, 상기 Tcore는 상기 코어의 온도(K)이고, 상기 Pheater는 상기 전열 히터의 전기적 발열률(J/s)이며, 상기 Ps.h.는 상기 코어의 온도를 측정하기 위한 상기 서미스터의 자체 전기적 발열률(J/s)로서 하기의 수학식 B에 의해 연산되고, 상기 K는 상기 코어와 상기 내부 자켓 사이의 열전달 계수(J/(Ks))로서 하기의 수학식 C에 의해 연산되며, 상기 (t1 , t2 )는 방사선이 조사되는 시간 영역임
    [수학식 B]

    여기서, 상기 Vex 는 상기 브릿지 회로의 여기 전압이며, 상기 Rb 는 상기 레지스터의 저항이며, 상기 Rth 는 상기 서미스터의 저항임
    [수학식 C]

    여기서, 상기△T core는 방사선이 조사되지 않는 시간 영역(t3, t4)에서의 코어 온도의 변화량임
  7. 제6항에서,
    상기 전열을 공급하는 단계에서, 상기 코어로부터 빠져나가는 열량과 상기 코어에 공급되는 열량이 상호 실질적으로 동일한 방사선 선량의 측정 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 코어의 온도가 균일하게 유지되는 방사선 선량의 측정 방법.
  9. 제6항에서,
    상기 코어에 전열을 공급하는 단계에서, 상기 전열 히터는 10㎼ 내지 1000㎼의 범위내에서 작동하는 방사선 선량의 측정 방법.
  10. 제6항에서,
    상기 흑연 열량계부에 방사선을 조사하는 단계에서부터 상기 방사선의 조사를 중지하는 단계까지의 시간은 2분인 방사선 선량의 측정 방법.
  11. 제6항에서,
    상기 서미스터의 저항(Rth )은 하기의 수학식 D에 따라 연산되는 방사선 선량의 측정 방법.
    [수학식 D]

    상기 R1 은 상기 제1 표준 레지스터의 저항이고, 상기 R2 는 상기 제2 표준 레지스터의 저항이며, 상기 Vout 은 상기 브릿지 회로의 갭 전압임
  12. 코어와 상기 코어에 삽입된 전열 히터를 포함하는 흑연 열량계부,
    상기 코어에 삽입된 서미스터(thermistor)를 포함하고, 상기 흑연 열량계부에 방사선을 인가시 상기 서미스터에 의해 상기 코어의 온도를 측정하는 측정부, 및
    상기 온도의 변화를 제공받아 상기 온도 변화에 대응해 상기 전열 히터의 전열을 제어하고, 상기 방사선의 선량을 연산하는 제어부
    를 포함하는 방사선 선량 측정 시스템을 이용한 방사선 선량의 측정 방법으로서,
    상기 측정부는 상기 서미스터와 연결되어 상기 서미스터의 전기적 발열률을 측정하는 브릿지 회로를 더 포함하고,
    상기 브릿지 회로는,
    레지스터,
    상기 서미스터와 직렬 연결된 제1 표준 레지스터,
    상기 제1 표준 레지스터와 병렬 연결되고, 레지스터와 직렬 연결된 제2 표준 레지스터, 및
    상기 제1 표준 레지스터와 상기 서미스터의 사이와 상기 제1 표준 레지스터와 상기 레지스터 사이에 연결되어 상기 브릿지 회로의 여기 전압을 출력하는 전압원
    을 포함하고,
    상기 방사선 선량의 측정 방법은,
    상기 코어를 외부로부터 단열시키는 단계,
    상기 전열 히터를 통해 상기 코어에 전열을 공급하는 단계,
    상기 흑연 열량계부에 방사선을 조사하는 단계,
    상기 방사선의 조사를 중지하는 단계,
    상기 방사선의 조사 전후의 상기 코어의 온도 변화를 측정하는 단계, 및
    상기 방사선의 선량을 연산하는 단계
    를 포함하고,
    상기 방사선을 조사하는 단계는 상기 방사선에 의해 상기 코어가 추가적으로 받을 제1 열량과 실질적으로 동일한 제2 열량의 열을 상기 전열을 공급하는 단계에서 빼주는 단계를 포함하고,
    상기 방사선의 선량을 연산하는 단계에서, 상기 방사선의 선량은 하기의 수학식 A에 의해 연산되는 방사선 선량의 측정 방법.
    [수학식 A]

    여기서, 상기 D는 상기 방사선 선량(J/kg), 상기 C는 상기 코어의 열용량(J/K)이고, 상기 는 방사선의 조사 전후 상기 코어의 온도 변화(K)이며, 상기 Tcore는 상기 코어의 온도(K)이고, 상기 Pheater는 상기 전열 히터의 전기적 발열률(J/s)이며, 상기 Ps.h.는 상기 코어의 온도를 측정하기 위한 상기 서미스터의 자체 전기적 발열률(J/s)로서 하기의 수학식 B에 의해 연산되고, 상기 K는 상기 코어와 상기 내부 자켓 사이의 열전달 계수(J/(Ks))로서 하기의 수학식 C에 의해 연산되며, 상기 (t1 , t2 )는 방사선이 조사되는 시간 영역임
    [수학식 B]

    여기서, 상기 Vex 는 상기 브릿지 회로의 여기 전압이며, 상기 Rb 는 상기 레지스터의 저항이며, 상기 Rth 는 상기 서미스터의 저항임
    [수학식 C]

    여기서, 상기 △T core는 방사선이 조사되지 않는 시간 영역(t3, t4)에서의 코어 온도의 변화량임
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