KR20040019439A - 안전성이 향상된 반도체형 복합 방사선 검출기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 반도체형 복합 방사선 검출기에 관한 것으로, 그 목적은 방사선 작업자의 방사선 측정에 있어서 안전성과 신뢰성이 크게 향상된 소형의 실시간 전자적 방사선 검출기를 제공하는데 있다.

본 발명의 구성은 이온화 방사선(감마선, X선) 검출용 반도체형 검출기에 있어서, 누적 방사선량을 검출하는 MOSFET 센서와 순간 방사선율을 검출하는 다이오드(Diode) 센서와, 상기 각 센서에서 나온 출력값을 변환 후 순간 방사선량이나 누적 방사선량 중에서 선택된 하나로 비교하는 비교기와, 비교 후 정한 오차 이상 발생시 작동하는 경보장치로 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

안전성이 향상된 반도체형 복합 방사선 검출기{Hybrid Semiconductor type Radiation Detector with Improved Safety}

본 발명은 안전성이 향상된 반도체형 복합 방사선 검출기에 관한 것으로, 자세하게는 pMOSFET 칩과 다이오드(Diode)로 이루어진 센서 및 이를 비교하는 비교기 및 경보장치로 이루어진 소형 방사선 검출기에 관한 것이다.

종래의 이온화 방사선(감마선, X선) 검출용 반도체형 검출기는 MOSFET나 다이오드를 사용하여 피폭되는 방사선의 일정 시간 동안의 누적 량이나, 순간 피폭 방사선율을 각각 측정하도록 개발되어 있다.

또한 중성자와 감마선이 혼재하는 방사선 환경에서 중성자를 탐지하는 PIN 다이오드와 감마선을 감지하는 MOSFET를 하나의 측정 모듈에 구현함으로서 소형의 복합적 방사선 측정기를 구현한 경우도 있다.

방사선 환경에서 작업을 수행해야하는 종사자의 입장에서 방사선 검출기의 오동작 및 고장은 치명적인 인체의 손상 및 최악의 경우 인명의 손실로 귀결되므로 방사선 검출기의 신뢰성 및 안전성을 아무리 강조하여도 지나치지 않는다.

지금까지의 단독 방사선 검출기나 혼합 방사선 검출기는 이러한 방사선 검출기 자체의 오동작이나 고장으로 인한 심각한 방사선 사고에 대비한 예방책으로써 방사선 환경 작업 종사자로 하여금 두개 이상의 서로 다른 방사선 검출기를 동시에착용하고 작업을 수행하게 한다.

그러나 방사선 환경에서 착용해야하는 작업 종사자의 불편한 보호 복장과 장비 및 부가적인 작업 도구에 더하여 복수의 방사선 검출기를 착용하는 것은 작업자의 작업 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 작업 수행과정에서 복수의 방사선 검출기를 수시로 확인 비교하는 절차는 작업자에게 번거로움을 가중시키게 되고, 종종 작업자가 방사선 피폭 량을 확인하는 절차를 무시하게 되는 경우가 초래되어 작업자의 안전성에 치명적인 영향을 미치는 사고를 야기할 수 있는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 방사선 작업자의 방사선 측정에 있어서 안전성과 신뢰성이 크게 향상된 소형의 실시간 전자적 방사선 검출기를 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)과 다이오드(Diode)로 이루어진 복합 방사선 검출기 및 두 검출기의 출력 값을 동일한 방사선율(양)로 변환하여 두 값을 비교하고 정한 오차 이상 발생시 작업자에게 알려줌으로써 방사선 측정 센서의 오동작 및 고장을 예방하는 측정 장치를 제공함으로써 달성된다.

도 1은 본 발명 MOSFET과 다이오드, 미분기 등으로 이루어진 복합 방사선 검출기의 처리 흐름을 보인 실시예도이고,

도 2는 본 발명 MOSFET과 다이오드, 적분기 등으로 이루어진 복합 방사선 검출기의 처리 흐름을 보인 실시예도이다

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : pMOSFET 칩 (2) : 다이오드(Diode)

(3) : 문턱전압(VT, Threshold Voltage) (4) : 변환기

(5) : 순간 광전류(IP) (6) : 변환기

(7) : 미분기 (8) : 적분기

(9) : 비교기 (10) : 경보장치

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 구성은 이온화 방사선(감마선, X선) 검출용 반도체형 검출기에 있어서, 누적 방사선량을 검출하는 MOSFET 센서와 순간 방사선율을 검출하는 다이오드(Diode) 센서와, 상기 각 센서에서 나온 출력값을 변환 후 순간 방사선량이나 누적 방사선량 중에서 선택된 하나로 비교하는 비교기와, 비교 후 정한 오차 이상 발생시 작동하는 경보장치로 구성한 것을 특징으로 한다.

상기 각 센서로부터 나온 측정값을 순간 방사선량으로 비교하는 복합 검출기는 방사선의 누적 피폭량 정보를 제공하는 pMOSFET 칩(p-type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 1)과 이 pMOSFET의 출력정보인 문턱전압(VT, Threshold Voltage, 3)을 해당하는 방사선 누적값으로 변환하는 변환기(4), 변환된 방사선량값을 미분하여 순간 방사선률 값을 제공하는 미분기(7)로 구성되는 pMOSFET 센서와;

입사 방사선에 의한 순간 광전류(5)를 출력시키는 다이오드(Diode, 2)와 다이오드의 출력전류량에 해당하는 방사선율 값으로 바꿔주는 변환기(6)로 구성되는 다이오드 센서와;

상기 두 센서로 출력되어 변환된 각각의 방사선율 값을 비교하는 비교기(9)와;

상기 비교기에서의 두 값의 오차가 일정값 이상이 될 경우 오차의 발생을 작업자에게 제공하는 경보장치(10)로 구성된다.

상기 각 센서로부터 나온 측정 값을 누적 방사선량으로 비교하는 복합 검출기는 방사선의 피폭 누적량 정보를 제공하는 pMOSFET 칩(p-type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 1)과 이 pMOSFET의 출력정보인 문턱전압(VT, Threshold Voltage, 3)을 해당하는 방사선 누적값으로 변환하는 변환기(4)로 구성되는 pMOSFET 센서와;

입사 방사선에 의한 순간 광전류(5)를 출력시키는 다이오드(Diode, 2)와 다이오드의 출력전류량에 해당하는 방사선율 값으로 바꿔주는 변환기(6)로 구성되는 다이오드 센서와 변환된 방사선율 값을 적분하여 누적 방사선량 값을 제공하는 적분기(8)로 구성되는 다이오드 센서와;

상기 두 센서로 출력되어 변환된 각각의 방사선량 값을 비교하는 비교기(9)와;

상기 비교기에서의 두 값의 오차가 일정값 이상이 될 경우 오차의 발생을 작업자에게 제공하는 경보장치(10)로 구성된다.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 MOSFET과 다이오드, 미분기 등으로 이루어진 복합 방사선 검출기의 처리 흐름을 보인 실시예도를 도시하고 있는데, 본 발명의 구성은 안전성이 향상된 복합 방사선 검출기를 구성함에 있어서, 반도체 소자인 pMOSFET 칩(p-type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 1)과 다이오드(Diode, 2) 칩, MOSFET의 문턱전압에 해당하는 누적 피폭 방사선량 값으로 치환하는 변환기(4), 변환된 누적 방사선량의 값을 시간 미분함으로써 방사선율의 값을 제공하는 미분기(Differentiator, 7)로 구성되는 pMOSFET 센서와;

방사선 입사시 순간 광전류 값에 해당 방사선율 값으로 치환하는 변환기(6), 로 구성되는 다이오드 센서와;

상기 두 센서로 출력되어 변환된 각각의 방사선율 값을 비교하는 비교기(Comparator, 9)와;

상기 비교기에서의 두 값의 오차가 일정값 이상이 될 경우 오차의 발생을 작업자에게 제공하는 경보장치(10)로 구성된다.

도 2는 본 발명 MOSFET과 다이오드, 적분기 등으로 이루어진 복합 방사선 검출기의 처리 흐름을 보인 실시예도를 도시하고 있는데, 본 발명의 구성은 안전성이 향상된 복합 방사선 검출기를 구성함에 있어서, 반도체 소자인 pMOSFET 칩(p-type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 1)과 다이오드(Diode, 2) 칩, MOSFET의 출력전압에 해당하는 피폭 누적 방사선량 값으로 치환하는 변환기(4)로 구성되는 pMOSFET 센서와;

방사선 입사시 순간 광전류 값에 해당 방사선율 값으로 치환하는 변환기(6), 변환된 순간 방사선율 값을 적분함으로써 누적 방사선량의 값을 제공하는 적분기(Integrator, 8)로 구성되는 다이오드 센서와;

상기 두 센서로 출력되어 변환된 각각의 방사선율 값을 비교하는 비교기(Comparator, 9)와;

상기 비교기에서의 두 값의 오차가 일정값 이상이 될 경우 오차의 발생을 작업자에게 제공하는 경보장치(10)로 구성된다.

상기 pMOSFET과 다이오드는 일반 전자소자로 사용 가능할 뿐만 아니라 방사선 감지 전용으로 생산되는 칩도 사용 가능하며, 이 경우 방사선에 대한 소자의 감도가 우수하므로 적용에 유리하다.

상기 누적 방사선량 변환기(4) 및 순간 방사선량 변환기(6)는 각각의 반도체(MOSFET, 다이오드)를 측정하고자 하는 방사선과 유사한 방사선장에서의 실험에서 구한 조사선량에 대한 MOSFET의 문턱전압(Threshold Voltage)과 방사선율에 대한 다이오드의 광전류 양의 관계 함수를 적용하여 구해지며, 이 함수는 반도체별로 고유한 특성을 가지므로 방사선 장에서의 실험값이 따라 정해진다.

상기 비교기(9)에서의 비교 기준값을 사용하는 방사선 환경에 대한 작업자의 방사선 허용 오차 및 측정하고자 하는 방사선 환경의 규정에 따라 가변하여 적절한 값을 적용할 수 있다.

그리고 상기 경보(10) 장치는 소리나 빛, 또는 진동을 사용하여 작업자에게 전달하는데 효율적인 방법을 적용한다.

본 발명에서 일반적으로 동일한 물질인 실리콘(Silicon, Si)으로부터 제작되지만, 다른 기능의 반도체 소자인 MOSFET와 다이오드를 사용한 이유는 두 소자가 이온화 방사선에 반응하는 메카니즘이 근본적으로 다르다는데 있다.

즉 다이오드의 경우 이온화 방사선이 입사될 경우 전류의 통로로써 사용되는 몸체(Body)에서 방사선에 의해 생성된 전하가 외부 역바이어스에 의해 순간적인 광전류(Photo Current) 펄스를 형성하게 되지만, 이에 반해 pMOSFET는 게이트(Gate) 층의 상단에 위치하여 전류의 통로와는 무관한 절연층(Oxide layer) 내부에서 입사 방사선에 의해 분리되어 축적되는 양전하 전하에 의하여 pMOSFET의 출력 문턱전압(Threshold Voltage)이 변화하는 반응 특성을 가진다는 것이다.

그리고 방사선에 의해 다이오드에서 생성된 광전류는 순간적인 펄스형의 전류로써 짧은 시간 내에 외부 부하선을 통하여 사라지고, 입사되는 방사선의 순간적인 변화량인 방사선율(Dose Rate) 정보를 제공할 수 있는 반면, 입사 방사선에 의해 pMOSFET의 게이트 산화층에 생성된 전하는 산화층 내부에 축적됨으로써 이 전하에 의해 변화된 pMOSFET의 문턱전압의 값은 피폭된 방사선량의 누적된 정보를 제공한다는 큰 차이점이 있다.

이 pMOSFET에서 얻은 누적 방사선량의 값을 시간적으로 미분하면 순간 방사선율의 정보로 변환된다.

상기와 같이 동일한 방사선을 측정함에 있어 두 개의 서로 다른 방사선 반응 메카니즘을 갖는 반도체형 방사선 감지센서를 사용하여 취득한 동일한 방사선율 정보를 비교하는 방법을 통하여 방사선 환경에서의 작업 종사자로 하여금 두 센서에서의 오동작 및 고장 상태를 정확하고 손쉽게 확인하게 할 수 있다.

이것은 다름 아닌 안전을 무엇보다 중요하게 고려하는 원자력발전소의 설계에 적용되는 다중성(Redundancy)과 다양성(Diversity)의 원리(서로 다른 메카니즘의 구성품을 복수로 사용하여 하나의 기능을 구현함으로써 고장의 확률을 최소화한 개념)를 적용한 것으로써 방사선의 측정에서의 신뢰성과 작업자의 안전성을 크게 향상시킨 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 원자력 발전소 등 원자력 발전관련 시설에서 및 방사선 시험, 특히 안전성이 매우 강조되는 환자 치료시설 및 고준위 방사선 적업 환경 등에서 적용이 가능하다.

또한 본 발명은 소형의 반도체 소자와 전자소자로 구성되므로 복잡한 방사선작업환경에서 작업자의 착용에서의 불편함과 정보의 의식 무의식적 손실 가능성을 동시에 제거함으로써 본 발명품을 상품화할 경우 안전성을 증대시킬 수 있다는 장점이 있어서 산업상 이용이 기대되는 발명이다.

Claims (3)

1. 이온화 방사선(감마선, X선) 검출용 반도체형 검출기에 있어서,

   누적 방사선량을 검출하는 MOSFET 센서와 순간 방사선율을 검출하는 다이오드(Diode) 센서와, 상기 각 센서에서 나온 출력값을 변환 후 순간 방사선량이나 누적 방사선량 중에서 선택된 하나로 비교하는 비교기와, 비교 후 정한 오차 이상 발생시 작동하는 경보장치로 구성한 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 반도체형 복합 방사선 검출기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 각 센서로부터 나온 측정값을 순간 방사선량으로 비교하는 복합 검출기는 방사선의 누적 피폭량 정보를 제공하는 pMOSFET 칩(p-type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 1)과 이 pMOSFET의 출력정보인 문턱전압(VT, Threshold Voltage, 3)을 해당하는 방사선 누적값으로 변환하는 변환기(4), 변환된 방사선량값을 미분하여 순간 방사선률 값을 제공하는 미분기(7)로 구성되는 pMOSFET 센서와;

   입사 방사선에 의한 순간 광전류(5)를 출력시키는 다이오드(Diode, 2)와 다이오드의 출력전류량에 해당하는 방사선율 값으로 바꿔주는 변환기(6)로 구성되는 다이오드 센서와;

   상기 두 센서로 출력되어 변환된 각각의 방사선율 값을 비교하는 비교기(9)와;

   상기 비교기에서의 두 값의 오차가 일정값 이상이 될 경우 오차의 발생을 작업자에게 제공하는 경보장치(10)로 구성된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 반도체형 복합 방사선 검출기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 각 센서로부터 나온 측정 값을 누적 방사선량으로 비교하는 복합 검출기는 방사선의 피폭 누적량 정보를 제공하는 pMOSFET 칩(p-type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, 1)과 이 pMOSFET의 출력정보인 문턱전압(VT, Threshold Voltage, 3)을 해당하는 방사선 누적값으로 변환하는 변환기(4)로 구성되는 pMOSFET 센서와;

   입사 방사선에 의한 순간 광전류(5)를 출력시키는 다이오드(Diode, 2)와 다이오드의 출력전류량에 해당하는 방사선율 값으로 바꿔주는 변환기(6)로 구성되는 다이오드 센서와 변환된 방사선율 값을 적분하여 누적 방사선량 값을 제공하는 적분기(8)로 구성되는 다이오드 센서와;

   상기 두 센서로 출력되어 변환된 각각의 방사선량 값을 비교하는 비교기(9)와;

   상기 비교기에서의 두 값의 오차가 일정값 이상이 될 경우 오차의 발생을 작업자에게 제공하는 경보장치(10)로 구성된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 반도체형 복합 방사선 검출기.