KR20020046097A - 단독형 환경 방사선 감시 시스템 - Google Patents

Abstract

NaI(T1) 섬광 검출기와 ION 센서를 이용하여 추출된 정보를 통해 상호 보완적 선량율 변환 정보를 추출하고 GPS를 적용하여 설치된 환경 방사선 감시시스템의 위치 정보를 획득하게 하고, 기상 센서를 인터페이스하여 기상정보를 획득하게 하고, 이러한 기능들을 소프트웨어적으로 원활하게 지원하기 위한 디지털 시그널 프로세서와 이에 인터페이스된 시리얼 통신을 통해 측정된 정보를 외부로 전송할 수 있으며, 기존의 NIM 형태로 구성되는 모듈의 일부분이 아닌 하나의 회로시스템에 집적시킨 단독형으로 이루어져 동작 안정성을 높일 수 있는 환경방사선 감시 시스템.

Description

단독형 환경 방사선 감시 시스템{A Stand-alone Type Environmental Radiation Monitoring System}

본 발명은 환경 방사선 감시기 시스템에 관한 것으로서, 원자력 발전소 주변 혹은 방사선을 취급하는 환경에 있어서 방사선의 선량을 모니터링하는 시스템에 관한 것이다.

방사선 감시 시스템은 원자력 발전소 주변의 반경 30 Km 범위 내에 10개 이상의 장소에 설치하여 상시 감시하는 것이 법제화되어 있으며 국내에도 고리, 울진, 월성 등의 원자력 발전소 주변에 설치되어 운용 중에 있다.

방사선을 측정하기 위한 방법으로는 전리작용에 의한 검출방법, 여기작용에 의한 검출방법, 화학작용에 의한 검출방법, 결함유발작용에 의한 검출방법 및 핵반응에 의한 검출방법이 있으며, 그 중 여기작용에 의한 검출방법과 이온 전리작용에의한 검출방법이 많이 이용된다.

여기 작용에 의한 검출방법은 방사선이 입사되면 신틸레이터(scintillator)내의 발광물질의 원자나 분자가 여기 후 기저 상태로 돌아갈 때 적당한 파장의 빛을 내는 것을 이용하는 방법이며, 이온 전리작용에 의한 검출방법은 전극간 공간에 입사한 전리작용에 의하여 만들어진 전자파 이온의 쌍을 전극간에 전계로 포집하여 전기신호를 얻는 방법으로 조사선량의 절대측정에 주로 사용된다.

환경 방사선을 감시하기 위해서 이온(ion) 검출기를 이용한 방사선량을 측정하는 것이 일반적이며 이러한 방식은 방사선량의 변화가 인공방사선의 영향인지 자연 방사선의 변동량인지 식별하기 어렵기 때문에 NaI(Tl) 섬광 검출기를 사용하여 방사선량을 구하는 것이 최근의 방식이다.

도 1은 종래 기술에 의한 방사선 감시 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 그 구성요소를 살펴보면, NaI(Tl) 섬광검출기(101)와, 상기 NaI(Tl) 섬광검출기(101)의 출력신호를 증폭하는 광자증폭기(Photo Multiplier)(102)와, 상기 광자증폭기(102)의 출력신호를 증폭하는 증폭기(Amplifier)(103)와, 에너지 레벨을 선별하기 위한 다수의 단일 채널 분석기(Single Channel Analyzer: SCA)(104, 105)와, 선량변환장치(Dose Conversion Unit)(107)와, 상기 NaI(Tl) 섬광검출기(101)에 고전압을 제공하기 위한 NIM(Nuclear Instrument Module) 규격의 고전압전원공급기(High Voltage Power Supply: HVPS)(106)와, 상기 채널분석기(104, 105) 및 선량변환장치(107)의 계수율을 구하기 위한 3개의 16 계수기(counter)(108, 109, 110)와, 이온검출센서(116)의 정보를 전달하는 이온검출인터페이스(117)와, 외부 컴퓨터와의 정보교환을 위한 다수의 직렬방식 전송부(RS232)(118, 119, 120)와, 다수의 기억소자(121, 115)와, 실제시각을 제공하는 리얼타임클럭(Real Time Clock)(113) 및 키패드(112)와 액정표시소자(Liquid Crystal Display)(111) 등이 포함되어 구성된다.

선량변환장치(DCU)(107)는 하드웨어적인 선량율 변환 장치로써 NaI(Tl) 섬광검출기를 이용한 계수율을 선량율로 환산하는데 관련된 식(equation)인 '스펙트럼-선량변환 함수'인 G(E)에 대응된 함수꼴을 역으로 발생시키는 장치로써, 이 장치를 이용하여 구한 계수율에 일정 상수 값을 곱하면 섬광검출기로 측정한 선량율이 환산되도록 도움을 주는 장치이다.

이러한 기존의 시스템에서는 대부분의 모듈들이 NIM 시스템으로 구성해야 하기 때문에 구성 단가가 비싸게 되고, 시스템이 크지므로 유지보수비가 증가된다. 따라서 이러한 단점을 보완하고, 대부분의 기능들을 하나의 회로 시스템에 집적(integration)시켜서 시스템의 안정성을 높일 뿐만 아니라, 유지보수의 경제성, 사용자의 편이성을 높일 필요성이 있다.

본 발명은 방사선 감시 시스템을 단일회로로 구현하여 단순화시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 동작의 안전성이 보장되는 방사선 감시 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 위치 정보(GPS) 및 기상 정보를 반영한 방사선 감시 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 소비전력을 줄여 무정전 시스템으로 가동할 때 시스템 동작 시간을 연장시킬 수 있는 방사선 감시 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 선량변환을 위한 G(E) 함수를 사용자로부터 이 시스템에 다운로드 시켜서, 다양한 NaI(Tl) 섬광검출기의 크기에 적용할 수 있는 신뢰할 수 있는 정보를 제공하는 방사선 감시 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 입사되는 방사선과 반응하여 빛을 방출하는 NaI(T1) 섬광검출기와, 상기 NaI(Tl) 섬광검출기에서 발생하는 빛의 세기에 대응하는 전기적 펄스를 증폭하는 광자증폭기(Photo Multiplier)와, 상기 광자증폭기에서 발생하는 펄스의 전기적인 잡음과 신호를 구분하여 증폭하는 정형증폭기(Shaping Amplifier)와, 상기 정형증폭기에서 출력되는 전기적 신호의 최대치인 피크(peak)를 검출하는 피크검출기(Peak detector)와, 상기 피크검출기를 통해 검출된 아나로그 신호를 디지털 값으로 변환하는 제 1 아나로그/디지탈 변환기와, 상기 NaI(Tl) 섬광검출기가 구할 수 없는 우주선에 의한 선량율 기여분을 보완하기 위한 이온 검출기와, 상기 이온검출기의 출력신호를 디지털 값으로 변환하는 제 2 아나로그/디지탈 변환기와, 상기 제 1, 제 2 아나로그/디지탈 변환기를 통해 제공된 방사선 검출정보를 분석하여 상호 보완적 선량율 변환 정보를 추출하고 인공 및 자연 방사선을 구별하는 디지털 시그널 프로세서(Digital Signal Processor)와, 상기 디지털 시그널 프로세서로부터 출력된 정보를 외부로 전송하기 위한 인터페이싱부를 포함하여 이루어지는 것을 구성의 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방사선 감시 시스템의 세부적 구성의 특징은 상기 디지털 시그널 프로세서에 인터페이스부를 통해 선량변환을 위한 검출기(detector)의 구조인자(geometry)를 고려한 '스펙트럼-선량변환'함수 G(E)와 위치정보(Global Positioning System:GPS) 및 기상정보 등을 제공받기 위한 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)가 연결된 점이다.

본 발명에 따른 방사선 감시 시스템의 다른 세부적 특징은 상기 디지털 시그널 프로세서에 일정한 시간 간격으로 상기 디지털 시스널 프로세서에 인터럽트 신호를 제공하는 리얼타임클럭(Real Time Clock)이 연결된 점이다.

본 발명에 따른 방사선 감시 시스템의 또 다른 세부적 특징은 디지털 시그널 프로세서에 사용자의 편이성을 고려한 경고음 발생장치 및 액정표시 모듈 등의 주변 장치와 인터페이싱을 수행하기 위한 프로그래머블 주변장치 인터페이스부가 연결된 점이다.

도 1은 종래기술에 따른 환경 방사선 감시장치의 구성을 나타낸 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 환경 방사선 감시장치 구성을 나타낸 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 방사선 감시 시스템의 구성과 그에 따른 동작을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 방사선 감시 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다. 도시된 바와 같이, 입사되는 방사선과 반응하여 빛을 방출하는 NaI(T1) 섬광검출기(201)와, 상기 NaI(Tl) 섬광검출기(201)에서 발생하는 빛의 세기에 대응하는 전기적 펄스를 증폭하는 광자증폭기(Photo Multiplier)(202)와, 상기 광자증폭기(202)에서 발생하는 펄스의 전기적인 잡음과 신호를 구분하여 증폭하는 정형증폭기(Shaping Amplifier)(203)와, 상기 정형증폭기(203)에서 출력되는 전기적 신호의 최대치인 피크(peak)를 검출하는 피크검출기(Peak detector)(204)와, 상기 피크검출기(204)를 통해 검출된 아나로그 신호를 디지털 값으로 변환하는 제 1 아나로그/디지탈 변환기(205)와, 상기 NaI(Tl) 섬광검출기(201)가 구할 수 없는 우주선에 의한 선량율 기여분을 보완하기 위한 이온 검출기(206)와, 상기 이온검출기(206)의 출력신호를 디지털 값으로 변환하는 제 2 아나로그/디지탈 변환기(217)와, 상기 제 1, 제 2 아나로그/디지탈 변환기(205, 217)를 통해 제공된 방사선 검출정보를 분석하여 상호 보완적 선량율 변환 정보를 추출하고 인공 및 자연 방사선을 구별하는 디지털 시그널 프로세서(Digital Signal Processor)(219)와, 상기 디지털 시그널 프로세서(219)로부터 출력된 정보를 외부로 전송하기 위한 인터페이싱부(223)를 포함하여 이루어진다. 기타 다른 소자에 대하여는 후술하기로 한다.

방사선의 에너지는 핵종(원소)에 특유한 것으로 에너지 스펙트럼을 측정하여 분석하면 핵종과 존재비의 결정이 가능하다. 이를 위해서 에너지 스펙트럼의 형성이 선행된다. 에너지 스펙트럼의 분석방법으로는 (1)방사선 검출기로부터 펄스 파고를 분석하는 펄스파고 분석법, (2)방사선이 물질을 투과하는 비율로부터 에너지를 측정하는 흡수법, (3)방사선이 일정한 거리를 비행한 시간을 분석하는 비행시간법 및 (4)방사선(하전입자선)의 자장속에서 편형하는 비율로 측정하는 자장법 등이 이용된다. 본 발명에서는 펄스의 높이에 따라 수치를 취하고, Multi-ChannelAnalyzer(MCA) 메모리 내에 해당하는 주소에 계수를 등록하는 방식에 의해 방사선 에너지를 측정하는 펄스 파고 분석법을 사용한다.

방사선이 신틸레이터에 입사되면 NaI과의 상호작용(광전효과)에 의하여 방사선 에너지의 전부 또는 일부가 전자(electron)에 영향을 미쳐 운동에너지로서 부여된다. 운동에너지가 주어진 전자는 NaI를 여기, 전리하고 다음에 이 전자가 미량으로 첨가된 Tl과 같은 원자에 포착되는 과정에서 필요 이상의 에너지를 형광으로서 방출한다. 형광효율은 광자/30eV 정도이다. 이때, 미량 첨가된 Tl은 형광중심으로서 작동한다. 원자나 분자가 여기 후 기저 상태로 돌아갈 때 적당한 파장의 빛을 내며, 이 빛을 광증배관(Photo multiplier)에서 전자로 변화시켜 증폭하여 전기적인 신호를 얻는다. 섬광 물질에서 방출되는 빛의 양은 광자 단위의 미소 광량이므로 측정하기 위해서는 검출가능한 양으로의 증폭을 요하게 된다. 따라서, 정형증폭기(Shaping Amplifier)(203)를 이용하여 전기적인 잡음과 신호를 구분하여 상기 광증배관(202)에서 나오는 신호를 신호대 잡음비가 높은 가우시안꼴로 펄스 모양을 정형 시키고, 분석하기에 적당한 크기로 신호를 증폭한다. 이후, 에너지 값을 측정하기 위해 피크 검출기(Peak Detection Circuit)(204)를 이용하여 가우시안 꼴의 펄스(Pulse)의 최대치인 피크(Peak)를 검출하여 아날로그/디지탈 컨버터를 이용하여 그 크기를 측정한다. 이렇게 하는 목적은 신호의 피크 값이 입사된 방사선의 에너지에 비례하기 때문에 이 값으로부터 에너지를 환산하기 위함이다.

이의 뒷 단에 연결된 제 1 아나로그/디지탈 컨버터(205)(Analog Digital Convertor)를 통해 피크 값을 디지털 값으로 변환한다. 변환된 디지털 값은 스펙트럼 메모리 내에 해당하는 주소에 계수를 등록하는 방식을 취하며, 이러한 기능을 가진 시스템을 MCA(Multi-Channel Analyzer)이라 부르고 있으며, 이 값들의 분포를 구하는 것을 에너지 스펙트럼(energy spectrum)이라 부른다. 이러한 원리를 이용하면 NaI(Tl) 섬광검출기를 이용한 에너지 스펙트럼을 구하는 것이 용이하며, 이러한 원리를 마이크로프로세서 회로로 구현하면 기존의 하드웨어에 의해 구현된 선량평가회로를 소프트웨어적으로 훨씬 간편하고 정확하게 구현할 수 있다.

제1 아나로그/디지탈 변환기(205)를 12 비트(bit) 이상의 에너지 분해능으로 구현하여 에너지 채널이 4096 이상이 되도록 하는 것이 필요하다. 측정된 에너지 스펙트럼에서 소프트웨어적으로 종래의 기술에서 SCA1, SCA2 (도 1의 104, 105)의 영역을 설정한다. 각 SCA에 해당되는 영역들은 마이크로프로세서 내부에서 임의적으로 영역의 개수와 범위를 임의적으로 설정할 수 있기 때문에 하드웨어 비용을 많이 줄일 있을 뿐만 아니라 설정도 용이하다.

NaI(Tl) 섬광검출기를 이용하여 측정한 스펙트럼에서 각 채널 값에 해당하는 G(E) 함수 값으로 보정하여 선량율을 구한다. 이들 G(E) 함수 값은 에너지 스펙트럼의 채널 구간 별로 512, 1024, 2048, 4096 등에 해당되는 값들을 FEROM(Flash programmable and Erasable Read Only Memory)(221)에 저장한다. 이 저장된 G(E)함수 값들을 다운로드 방식으로 채택함으로써 사용자가 언제든지 이 값들을 변경할 수 있으며, 또 디지탈 시그널 프로세서(219)에서 에너지 측정 루프가 돌아 갈 때에는 상기 FEROM(221)에 저장된 데이터를 SRAM(220)에 옮겨 놓고 연산하는 방식을 취함으로써 빠른 처리결과를 얻을 수 있도록 한다. 이렇게 함으로써 종래에서 사용하는 DCU(107)와 이와 관련된 계수기(108, 109, 110)없이 디지탈 시그널 프로세서(219) 내부에서 선량율 변환이 가능하도록 한다.

ION 센서 인터페이스(209)는 NaI(Tl) 섬광검출기(201)를 이용한 선량율 변환 결과에 대해 신뢰성을 높이고, 또한 NaI(Tl) 섬광검출기가 구할 수 없는 우주선에 의한 선량율 기여분을 보완하기 위해 ION 검출기(206)를 인터페이스 시킨다. 특히 ION 검출기부 자체만으로 구한 선량율의 변화는 자연적인 선량율 변화율인지 인공적 방사선에 의한 선량율 변화율인지를 판단할 수 없지만, NaI(Tl) 섬광검출기를 이용하면 인공방사선과 자연방사선을 구분할 수 있기 때문에 두 검출기를 혼용하는 것은 필수적이라 할 수 있다.

LCD 표시기(LCD Module)(211)는 문자 혹은 그림의 형태로 LCD 표시기에 표시하고, KEYPAD(212)는 사용자에 의한 정보 및 기능 입력에 사용되며, 디지털 입력/출력 단자(Digital Input Output)(213)는 예상치 않은 사용자의 보조기능을 인터페이스할 경우에 대비한 예비 디지털 입출력 단자로 사용된다. 또한 기상정보를 전달하기 위한 기상센서 인터페이스(Weather Interface)(214) 및 사용자 경보용 부저(Buzzer)(215)가 사용된다.

4 채널 디지탈-아나로그 변환기(Digital Analog Converter)(210)는 아날로그 레코더 인터페이스, MCA 기능의 검교정 및 동작 확인을 위한 시뮬레이션 펄스 발생기용, 고전압 제어기(High Voltage Circuit)값 조정용으로 사용된다.

하드웨어적인 기능을 소프트웨어적인 기능으로 대치하기 위해 고속, 플로팅(floating) 연산이 가능한 디지탈 시그널 프로세서(219)를 사용한다.

기억소자(Memory)로는 32 비트 256K byte 이상의 SRAM(220)와, 8 비트 인터페이스, 메인 프로그램 및 DCU 변환인자인 G(E) 인자 저장용 및 전원이 인가되면 디지탈 시그널 프로세서(DSP)(219)에서 자동으로 메인 프로그램을 동작이 빠른 SRAM(220)으로 이동시켜 수행함으로써 동작을 빠르게 수행하는 FEROM(221)을 가지며, 이 메모리는 전원이 꺼져도 메모리내의 내용이 보전되는 특성을 갖고 있다.

기타 소자로는 시스템의 시각관리를 원활하게 하고, 일정한 시간 간격으로 상기 디지탈 시그널 프로세서(DSP)에 인터럽트를 가하는 리얼타임클럭(RTC)(222)가 구비되어 있다. 또한, 시리얼 통신으로서 주 컴퓨터와 통신은 기본이고, 비동기식 통신을 4채널의 UART(224)로 다채널화해서 사용자의 편의에 부응할 수 있다. 그 용도로는 동작 프로그램의 다운로딩, 선량 변환을 위한 G(E) 값 다운로딩, 측정 데이터 실시간 업로딩, 사용자의 편의에 따른 모뎀 인터페이스, GPS 수신기(225), 기상 센서(214), UPS 등 과의 인터페이스를 원활케 한다.

시스템의 현재 동작 상태 및 조건의 모니터링(monitoring)을 위한 ADC(217)는 시스템의 전원 전압 상태등을 모니터링하여 디지탈 시그널 프로세서(219)에 전달한다.

이온센서를 위한 -300V 고정 전원은 이온인터페이스 회로(209)에 내장되며, NaI(Tl) 검출기를 위한 10 ~ 3000V 가변 고압 전원은 고전압 전원공급기(HVPS)(207)에 의해 제공되며, 전압의 가변은 DAC(210)를 이용 소프트웨어적으로 가변 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 방사선 감시시스템은 NaI(Tl) 섬광검출기와 ION 센서를 이용한 상호 보완적 선량율 측정을 통해 데이터의 신뢰성과 인공 및 자연 방사선 구별 및 상시 방사선 선량을 모니터링 할 수 있다. 또한, 단일회로로 압축함으로써 시스템이 단순화되고 저렴한 비용으로 제작 가능하며, 동작 안정성을 높이고, 소비 전력을 줄여서 무정전 시스템으로 가동할 때 시스템 동작시간을 늘여줄 수 있으며, 프로그램 다운로딩 방식을 사용함으로써 업그레이드가 편리한 장점을 가진다.

Claims (6)

1. 입사되는 방사선과 반응하여 빛을 방출하는 NaI(T1) 섬광검출기와,

   상기 NaI 섬광검출기에서 발생하는 빛의 세기에 대응하는 전기적 펄스를 증폭하는 광자증폭기(Photo Multiplier)와,

   상기 광자증폭기에서 발생하는 펄스의 전기적인 잡음과 신호를 구분하여 증폭하는 정형증폭기(Shaping Amplifier)와,

   상기 정형증폭기에서 출력되는 전기적 신호의 최대치인 피크(peak)를 검출하는 피크검출기(Peak detector)와,

   상기 피크검출기를 통해 검출된 아나로그 신호를 디지털 값으로 변환하는 제 1 아나로그/디지탈 변환기와,

   상기 NaI 섬광검출기가 구할 수 없는 우주선에 의한 선량율 기여분을 보완하기 위한 이온 검출기와,

   상기 이온검출기의 출력신호를 디지털 값으로 변환하는 제 2 아나로그/디지탈 변환기와,

   상기 제 1, 제 2 아나로그/디지탈 변환기를 통해 제공된 방사선 검출정보를 분석하여 상호 보완적 선량율을 측정하고, 인공 및 자연 방사선을 구별하는 알고리즘을 지원하는 디지털 시그널 프로세서(Digital Signal Processor)와,

   상기 디지털 시그널 프로세서로부터 출력된 정보를 외부로 전송하기 위한 인터페이싱부를 포함하여 이루어지는 단독형 환경 방사선 감시 시스템.
2. 제 1 항에 있어서; 상기 디지털 시그널 프로세서는,

   상기 인터페이스부를 통해 선량변환을 위한 검출기(detector)의 구조인자(geometry)를 고려한 '스펙트럼-선량변환'함수(G(E)함수)를 사용자가 직접 다운로드(download)받아 에너지 스펙트럼상에서 다양한 SCA 영역을 설정할 수 있는 것을 특징으로 하는 단독형 환경 방사선 감시 시스템.
3. 제 1 항에 있어서; 상기 디지털 시그널 프로세서는,

   위치정보(Global Positioning System:GPS) 시스템을 인터페이싱하여 방사선 감시시스템이 설치된 지역의 위도 및 경도의 위치정보 및 시각정보를 원격으로 제공받을 수 있는 것을 특징으로 하는 단독형 환경 방사선 감시 시스템.
4. 제 1 항에 있어서; 상기 디지털 시그널 프로세서에,

   일정한 시간 간격으로 인터럽트 신호를 제공하는 리얼타임클럭(Real Time Clock)이 연결되어 방사선 측정 데이터와 함께 시각정보를 함께 제공하는 것을 특징으로 하는 단독형 환경 방사선 감시 시스템.
5. 제 1 항에 있어서; 상기 디지털 시그널 프로세서는,

   인터페이스를 통해 기상정보를 제공받아 측정된 방사선량의 변화가 기상조건의 변화에 의한 것인지 판단할 수 있는 것을 특징으로 하는 단독형 환경 방사선 감시시스템.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서; 상기 디지털 시그널 프로세서에,

   사용자의 편이를 고려하여 경고음 발생장치 및 액정표시 모듈 등의 주변 장치와 인터페이싱을 수행하기 위한 프로그래머블 주변장치 인터페이스부가 연결된 것을 특징으로 하는 단독형 환경 방사선 감시 시스템.