KR20070063916A - 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치 및 그제어방법 - Google Patents

일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치 및 그제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것으로, 입사한 엑스선 또는 감마선으로 내부 충진기체에서 전리전자를 발생시키거나 또는 입사한 하전입자로 내부 충진기체에서 전리전자를 발생시키는 전리전자발생부와; 상기 전리전자발생부에서 발생된 전리전자를 입력받아 GEM을 이용해 GEM 구멍 내부 충진기체에서 전자사태를 통해 증폭시켜 전자구름을 형성시키는 기체전자증폭부와; 상기 기체전자증폭부에서 증폭되어 형성된 전자구름이 출력전극에 도달한 위치를 전기신호로 받아들임으로써 전자구름의 좌표를 파악하여 출력하는 출력부;를 포함하여 일차원 기체전자증폭 검출부를 구성함으로써, 엑스선 또는 감마선과 같은 고에너지 입사 광에 의한 광전효과나 컴프턴효과를 유도하여 발생된 내부 충진기체의 전리전자 또는 입사 하전입자에 의해 직접 발생된 내부 충진기체의 전리전자를 기체전자증폭기를 이용하여 GEM 구멍에서 전자사태를 통해 증폭시켜 피사체 내외부의 화상정보를 실시간에 이차원으로 영상화하여 항만이나 공항 등의 보안검색용이나 또는 산업용 비파괴검사장치의 핵심부품 등으로 사용할 수 있게 하는 것이다.
기체전자증폭기, 디지털영상화 방사선 검출장치, 실시간위치감지, 일차원 방 사선 검출기, 엑스선, 감마선, 하전입자, 방사선, 주기체, 완충기체 , 광전효과, 컴프턴효과, 전리전자, 이온화, 기체 이온화에너지, 베떼-블로흐 공식, 란다우 분포

Description

일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치 및 그 제어방법{Apparatus and method for array GEM digital imaging radiation detector}
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치의 블록구성도이다.
도 2는 도 1에서 입사창의 상세구성도이다.
도 3은 도 1에서 기체전자증폭부의 구성예를 보인 개념사시도이다.
도 4는 도 1에서 일차원 기체전자증폭 검출부의 구성예를 보인 개념사시도이다.
도 5는 도 1에서 일차원 기체전자증폭 검출부의 개념을 보인 단면도이다.
도 6은 도 1의 일차원 기체전자증폭검출부를 포함한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치의 블록구성도이다.
도 7은 도 6에서 피사체가 이송부에 의해 이송될 때 피사체를 투과한 엑스선 또는 감마선 또는 하전입자빔의 입사방사선의 신호 검출에 대한 예를 보인 개념도이다.
도 8은 도 6에서 분석부의 상세블록도이다.
도 9는 도 8에서 데이터획득부의 상세블록도이다.
도 10은 도 6에서 디스플레이부의 상세블록도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치의 제어방법을 보인 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 일차원 기체전자증폭 검출부
110 : 전리전자발생부 111 : 입사창
112 : 투과창 113 : 음극
115 : 제 1 스페이서 120 : 기체전자증폭부
121 : 제 1 기체전자증폭부 122 : 제 2 스페이서
123 : 제 2 기체전자증폭부 124 : 제 3 스페이서
130 : 출력부 131 : 차지킬러
132 : 절연체 133 : 출력전극
134 : 지지부 200 : 방사선입사부
300 : 이송부 400 : 분석부
410 : 데이터획득부(DAQ 카드) 420 : 제어부
430 : 주채널처리부 431 : 전치증폭부
432 : 셰이퍼 433 : 버퍼
434 : 파이프라인 435 : 주증폭부
440 : 멀티플렉서 450 : 고속 AD 변환부
460 : 더미채널처리부 461 : 전치증폭부
462 : 버퍼 463 : 파이프라인
464 : 주증폭부 470 : 테스트펄스생성부
480 : 테스트채널처리부 481 : 전치증폭부
482 : 셰이퍼 483 : 버퍼
484 : 파이프라인 485 : 주증폭부
490 : PC 500 : 디스플레이부
510 : 프린터 520 : 플로터
530 : 컴퓨터화면 540 : 액정화면
본 발명은 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 엑스선(X-Ray) 또는 감마선(Gamma Ray)과 같은 고에너지 입사 광에 의한 광전효과나 컴프턴효과를 유도하여 발생된 내부 충진기체의 전리전자 또는 입사 하전입자에 의해 직접 발생된 내부 충진기체의 전리전자를 기체전자증폭기(Gas Electron Multiplier, GEM)를 이용하여 GEM 구멍에서 전자사태를 통해 증폭시켜 피사체 내외부의 화상정보를 실시간에 이차원으로 영상화하여 항만이나 공항 등의 보안검색용이나 또는 산업용 비파괴검사장치의 핵심부품 등으로 사용하기에 적당하도록 한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 기체전자증폭기 기술은 유럽공동가속기연구소(CERN)의 기체검출 기개발그룹(Gas Detector Development Group) 소속의 사울리(F. Sauli) 박사와 올리베이라(R. D. Oliveira) 등이 고에너지 하전입자를 검출할 목적으로 1997년에 개발한 신기술로서, 그 잠재적 응용성이 뛰어나 그 동안 국제적 선진 연구그룹을 중심으로 다양한 연구가 이루어져 왔으나, 그 응용과 관련된 연구는 아직 초기단계라고 할 수 있다.
특히, 기체는 수 keV에서 수백 keV까지 영역의 엑스선과 감마선에 대해서는 광전효과와 컴프턴 효과가 비교적 높은 편이고, GEM 검출기의 위치 및 시간 해상도가 뛰어난 이유로 인하여, GEM 기술을 활용한 실시간 엑스선 촬영을 위한 의료용 고화질 영상화 기술에 대한 기초연구가 최근 빠르게 진행되고 있다.
이러한 GEM의 장점으로는 제작비가 저렴하고, 안전성이 우수하며, 무게가 가볍고 두께가 얇으며, 유연성이 뛰어난 점 등을 들 수 있다.
그리고 GEM 검출기는 기체를 전리시킴으로써 엑스선과 감마선, 또는 하전입자를 검출하는 장치이기 때문에 가시광선 영역에서만 작동효율이 높은 CCD(Charge Coupled Device, 전하 결합 소자)의 단점을 극복할 수 있는 특수성을 갖추고 있다.
아울러 GEM 검출기는 하전입자의 측정에 효과적일 뿐만 아니라, GEM 검출기 내부의 기체에 BF3을 첨가하거나 GEM 포일(GEM foil, GF)에 붕소(Boron)와 같은 중성자 차단 물질(stopping material)을 코팅(coating)함으로써 중성자 검출기로도 활용 가능할 정도로 그 응용 범위가 넓다.
그래서 GEM 검출기는 의료용 X-선 실시간 영상장치, 산업용 비파괴검사장치, X-선 천체망원경, X-선 현미경, X-선 편광기, 플라즈마 진단제어장치 등, 방사선 검출기로의 응용이 폭넓게 탐색되고 있는 상황이다.
그러나 GEM 검출기의 응용과 관련된 연구는 아직 초기 단계로서, 기체전자증폭기를 이용하여 엑스선 또는 감마선과 같은 고에너지 입사 광에 의한 광전자 또는 컴프턴전자를 내부 충진기체에 의해 발생된 전리전자를 GEM 구멍에서 전자사태를 통해 증폭시켜 피사체의 평면상 또는 입체상에 대한 내부 또는 외부의 화상정보를 실시간으로 디지털 영상화할 수 있는 기술은 아직 개발되어 있지 않은 상태이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 엑스선 또는 감마선과 같은 고에너지 입사 광에 의한 광전효과나 컴프턴효과를 유도하여 발생된 내부 충진기체의 전리전자 또는 입사 하전입자에 의해 직접 발생된 내부 충진기체의 전리전자를 기체전자증폭기를 이용하여 GEM 구멍에서 전자사태를 통해 증폭시켜 피사체 내외부의 화상정보를 실시간에 이차원으로 영상화하여 항만이나 공항 등의 보안검색용이나 또는 산업용 비파괴검사장치의 핵심부품 등으로 사용할 수 있는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치는,
입사한 엑스선 또는 감마선으로 내부 충진기체에서 전리전자를 발생시키거나 또는 입사한 하전입자로 내부 충진기체에서 전리전자를 발생시키는 전리전자발생부 와; 상기 전리전자발생부에서 발생된 전리전자를 입력받아 GEM을 이용해 GEM 구멍에서 내부 충진기체와의 전자사태를 통해 증폭시켜 전자구름을 형성시키는 기체전자증폭부와; 상기 기체전자증폭부에서 형성증폭된 전자구름이 출력전극에 도달한 위치를 전기신호로 받아들임으로써 전자구름의 좌표를 파악하여 출력하는 출력부;를 포함하여 일차원 기체전자증폭 검출부를 구성함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치의 제어방법은,
이송부에 의해 이송되는 피사체에 엑스선 또는 감마선 또는 하전입자빔을 투사하면, 전리전자발생부의 음극 또는 표류-가속 영역에서 투사된 엑스선 또는 감마선을 광전자 또는 컴프턴전자로 변환시키고 변환된 광전자 또는 컴프턴전자에 의해 표류-가속 영역의 기체에서 전리전자를 발생시키거나 또는 입사 하전입자로 표류-가속 영역의 기체에서 전리전자를 직접 발생시키는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 발생된 전리전자를 가속시키고 GEM 구멍 내부 충진기체에서 전자사태를 통해 증폭시켜 전자구름을 형성하여 전자구름의 신호를 추출하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계에서 추출된 신호를 분석하여 피사체 내외부의 영상정보를 평면 화상으로 출력하는 제 3 단계;를 포함하여 수행함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명, 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치 및 그 제어방법의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 설명하 면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치의 블록구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 입사한 엑스선 또는 감마선으로 내부 충진기체에서 전리전자를 발생시키거나 또는 입사한 하전입자로 내부 충진기체에서 전리전자를 발생시키는 전리전자발생부(110)와; 상기 전리전자발생부(110)에서 발생된 전리전자를 입력받아 GEM(기체전자증폭기)을 이용해 GEM 구멍 내부 충진기체에서 전자사태를 통해 증폭시켜 전자구름을 형성시키는 기체전자증폭부(120)와; 상기 기체전자증폭부(120)에서 증폭되어 형성된 전자구름이 출력전극(133)에 도달한 위치를 전기신호로 받아들임으로써 전자구름의 좌표를 파악하여 출력하는 출력부(Readout)(130);를 포함하여 일차원 기체전자증폭 검출부(Array GEM Detector)(100)를 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 전리전자발생부(110)는, 입사한 감마선을 광전자 또는 컴프턴전자로 변환시키거나 또는 입사한 엑스선이나 입사한 하전입자를 받아들이는 입사창(111)과; 상기 입사창(111)과 상기 기체전자증폭부(120) 사이에 위치하고, 상기 입사한 엑스선 또는 감마선을 광전자 또는 컴프턴전자로 변환시키면서 이들 변환된 광전자 또는 컴프턴전자에 의해 내부 충진기체에서 전리전자를 발생시키거나 또는 입사한 하전입자에 의해 내부 충진기체에서 전리전자를 직접 발생시키는 표류-가속 영역(Drift-Acceleration Region)을 형성하고, 내부에 미리 설정한 비율로 혼합된 주기체와 완충기체가 미리 설정한 기압으로 채워진 제 1 스페이서(Spacer)(115);를 포 함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 도 1에서 입사창의 상세구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 입사창(111)은, 입사한 엑스선 또는 감마선을 검출 목적에 맞게 투과 또는 차단하는 투과창(Transparent Window, W)(112)과; 상기 투과창(112)을 투과하여 입사된 방사선이 도달되고, 음극(Cathode)을 형성하도록 전극물질이 코팅된 음극(113);을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 음극(113)은, 전극물질로 금, 알루미늄, 구리, 은, 백금 중에서 하나 이상을 사용하여 코팅하는 것을 특징으로 한다.
상기 음극(113)은, 상기 전극물질을 5 ~ 30 마이크로미터의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 도 1에서 기체전자증폭부의 구성예를 보인 개념사시도이고, 도 4는 도 1에서 일차원 기체전자증폭 검출부의 구성예를 보인 개념사시도이며, 도 5는 도 1에서 일차원 기체전자증폭 검출부의 개념을 보인 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 기체전자증폭부(120)는, 하나 또는 둘 이상의 기체전자증폭기(GEM)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 기체전자증폭부(120)는, 상기 전리전자발생부(110)에서 변환되어 표류-가속 영역의 기체에서 전리된 전자들을 가속시키고 GEM 구멍에 충진된 기체에서의 전자사태(Electron Avalanche)에 의해 일정한 배율로 전자의 수를 증폭시키는 제 1 기체전자증폭부(121)와; 상기 제 1 기체전자증폭부(121)와 상기 출력부(130) 사이에 위치하여 유도 영역(Induction Region)을 형성하고, 내부에 미리 설정된 비율로 혼합된 주기체와 완충기체가 미리 설정된 기압으로 채워진 제 2 스페이서(122);를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 기체전자증폭부(120)는, 상기 전리전자발생부(110)에서 변환되어 표류-가속 영역의 기체에서 전리된 전자들을 가속시키고 전자사태(Electron Avalanche)에 의해 GEM 구멍의 기체에서 일정한 배율로 전자의 수를 증폭시키는 제 1 기체전자증폭부(121)와; 상기 제 1 기체전자증폭부(121)와 상기 제 2 기체전자증폭부(123) 사이에 위치하여 표류-유도 영역(Drift-Induction Region)을 형성하는 제 2 스페이서(122)와; 상기 제 1 기체전자증폭부(121)에서 증폭된 전자들을 전자사태 현상에 의해 GEM 구멍의 기체에서 일정한 배율로 전자의 수를 다시 증폭시켜 전자구름을 형성하는 제 2 기체전자증폭부(123)와; 상기 제 2 기체전자증폭부(123)와 상기 출력부(130) 사이에 위치하여 유도 영역(Induction Region)을 형성하고, 내부에 미리 설정된 비율로 혼합된 주기체와 완충기체가 미리 설정된 기압으로 채워진 제 3 스페이서(124);를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2 기체전자증폭부(121)(123)는, 각각 3 ~ 5 개의 구멍이 길이 방향으로 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 출력부(130)는, 상기 기체전자증폭부(120)에서 증폭된 전자구름 이외의 잡신호를 없애는 차지킬러(Charge Killer, CK)(131)와; 상기 차지킬러(131)와 출력전극(133)을 절연시켜 전자구름이 떨어지는 공간 영역을 제한하여 신호의 공간 분해능을 향상시키는 절연체(D)(132)와; 상기 차지킬러(131)와 상기 절연체(132)를 지나간 전자구름에 의한 전기신호를 상기 출력부(130)의 외부로 전달하는 출력전극 (133)과; 상기 출력전극(133)을 지지하는 지지부(134);를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 차지킬러(131)는, 고전도성 물질을 단일 코팅하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 차지킬러(131)는, 상기 기체전자증폭부(120)에서 증폭된 전자구름 이외의 잡신호를 없애도록 상기 출력전극(133)의 테두리에 전도성 물질을 단일 코딩하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 차지킬러(131)는, 접지에 연결되는 것을 특징으로 한다.
도 6은 도 1의 일차원 기체전자증폭검출부를 포함한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치의 블록구성도이고, 도 7은 도 6에서 피사체가 이송부에 의해 이송될 때 피사체를 투과한 엑스선 또는 감마선 또는 하전입자빔의 입사방사선의 신호 검출에 대한 예를 보인 개념도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치는, 엑스선 또는 감마선 또는 하전입자빔과 같은 입사방사선을 피사체에 투사하는 방사선입사부(200)와; 상기 방사선입사부(200)의 입사방사선이 피사체를 통과하여 상기 일차원 기체전자증폭 검출부(100)로 전달되도록 상기 피사체를 이송시키는 이송부(300);를 더욱 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
도 8은 도 6에서 분석부의 상세블록도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치는, 상기 일차원 기체전자증폭 검출부(100)에서 출력된 전기신호를 분석하여 피사체 내외부의 영상정보를 이차원 화상으로 재구성하는 분석부(400);를 더욱 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 분석부(400)는, 상기 일차원 기체전자증폭 검출부(100)에서 출력된 전기신호를 세기에 따라 입력받아 분석하도록 DAQ(Data AcQuisition) 카드로 구성된 데이터획득부(410)와; 상기 데이터획득부(410)에서 얻은 피사체 내외부의 정보를 평면 화상으로 재구성하는 PC(Personal Computer)(490);를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
도 9는 도 8에서 데이터획득부의 상세블록도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 데이터획득부(410)는, 상기 데이터획득부(410)의 동작을 제어하는 제어부(420)와; 상기 일차원 기체전자증폭 검출부(100)에서 출력된 전기신호에 대한 주채널 처리를 수행하여 신호의 세기에 따라 신호를 분류하여 입사방사선의 에너지 분포를 파악하여 출력하는 주채널처리부(430)와; 상기 주채널처리부(430)의 출력을 다중화하여 출력하는 멀티플렉서(440)와; 상기 멀티플렉서(440)의 출력을 고속 AD(Analog to Digital) 변환하여 출력하는 고속 AD 변환부(450);를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 주채널처리부(430)는, 상기 일차원 기체전자증폭 검출부(100)에서 출력된 전기신호를 증폭시키는 전치증폭부(Pre-amplifier)(431)와; 상기 전치증폭부(431)에서 증폭된 신호에 대해 펄스 모양을 재구성하는 셰이퍼(Shaper)(432)와; 상기 셰이퍼(432)의 출력을 저장하는 버퍼(433)와; 상기 버퍼(433)에 저장된 전기신호를 분류하여 입사방사선의 에너지 분포를 파악하여 출력하는 파이프라인 (Pipeline)(434)과; 상기 파이프라인(434)의 출력을 증폭시켜 상기 멀티플렉서(440)로 전달하는 주증폭부(435);를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 데이터획득부(410)는, 더미채널(Dummy Channel)로 입력된 전기신호를 증폭시키는 전치증폭부(461), 상기 전치증폭부(461)의 출력을 저장하는 버퍼(462), 상기 버퍼(462)에 저장된 전기신호를 분류하여 입사방사선의 에너지 분포를 파악하여 출력하는 파이프라인(463), 상기 파이프라인(463)의 출력을 증폭시켜 상기 멀티플렉서(440)로 전달하는 주증폭부(464)를 포함하여 이루어진 더미채널처리부(460);를 더욱 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 데이터획득부(410)는, 테스트펄스(Test Pulse)를 생성하는 테스트펄스생성부(470)와; 상기 테스트펄스생성부(470)에서 생성된 테스트펄스신호를 입력받아 증폭시키는 전치증폭부(481), 상기 전치증폭부(481)에서 증폭된 신호에 대해 펄스 모양을 재구성하는 셰이퍼(482), 상기 셰이퍼(482)의 출력을 저장하는 버퍼(483), 상기 버퍼(483)에 저장된 전기신호를 분류하여 테스트펄스의 에너지 분포를 파악하여 출력하는 파이프라인(484), 상기 파이프라인(484)의 출력을 증폭시켜 상기 멀티플렉서(440)로 전달하는 주증폭부(485)를 포함하여 이루어진 테스트채널처리부(480);를 더욱 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
도 10은 도 6에서 디스플레이부의 상세블록도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치는, 프린터(510), 플로터(520), 컴퓨터화면(530) 또는 액정화면(540) 중에서 하나 이상으로 이루어지고, 상기 분석부(400)에서 출력된 신호를 입력받아 재구성 된 피사체 내외부의 영상정보를 이차원 화상으로 출력하는 디스플레이부(500);를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치의 제어방법을 보인 흐름도이다.
이에 도시된 바와 같이, 이송부(300)에 의해 이송되는 피사체에 엑스선 또는 감마선 또는 하전입자빔을 투사하면, 전리전자발생부(110)의 음극(113) 또는 표류-가속 영역에서 투사된 엑스선 또는 감마선을 광전자 또는 컴프턴전자로 변환시키고 변환된 광전자 또는 컴프턴전자에 의해 표류-가속 영역의 기체에서 전리전자를 발생시키거나 또는 입사 하전입자로 표류-가속 영역의 기체에서 전리전자를 직접 발생시키는 제 1 단계(ST1)(ST2)와; 상기 제 1 단계에서 발생된 전리전자를 가속시키고 GEM 구멍 내부 충진기체에서 전자사태를 통해 증폭시켜 전자구름을 형성하여 전자구름의 신호를 추출하는 제 2 단계(ST3)(ST4)와; 상기 제 2 단계에서 추출된 신호를 분석하여 피사체 내외부의 영상정보를 평면 화상으로 출력하는 제 3 단계(ST5)(ST6);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 단계는, 상기 제 1 단계 후 기체전자증폭부(120)는 표류-가속 영역의 전리전자를 가속시켜 GEM을 이용해 GEM 구멍 내부 충진기체에서 전자사태를 통해 증폭시키고 전자구름을 형성시키는 단계(ST3)와; 상기 기체전자증폭부(120)에서 형성된 유도 영역의 전자구름으로부터 출력부(130)의 출력전극(133)에서 전기신호를 추출하는 단계(ST4);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치 및 그 제어방법의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 발명은 엑스선 또는 감마선과 같은 고에너지 입사 광에 의한 광전효과나 컴프턴효과를 유도하여 발생된 내부 충진기체의 전리전자 또는 입사 하전입자에 의해 직접 발생된 내부 충진기체의 전리전자를 기체전자증폭기를 이용하여 GEM 구멍에서 전자사태를 통해 증폭시켜 피사체 내외부의 화상정보를 실시간에 이차원으로 영상화하여 항만이나 공항 등의 보안검색용이나 또는 산업용 비파괴검사장치의 핵심부품 등으로 사용하고자 한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치의 블록구성도이고, 도 6은 도 1의 일차원 기체전자증폭검출부를 포함한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치의 블록구성도이다.
그래서 본 발명은 일차원 기체전자증폭 검출부(100)를 전리전자발생부(110)와 기체전자증폭부(120)와 출력부(130)로 구성할 수 있으며, 여기에 방사선입사부(200), 이송부(300), 분석부(400), 디스플레이부(500)를 부가할 수 있다.
그리고 일차원 기체전자증폭 검출부(100)에서 전리전자발생부(110)는 입사창(111)과 제 1 스페이서(115)로 구성할 수 있으며, 입사창(111)은 투과창(112), 음극(113)을 포함하여 구성할 수 있다.
이러한 전리전자발생부(110)는 일차원 기체전자증폭 검출부(100)에 입사한 엑스선 또는 감마선을 광전자 또는 컴프턴전자로 변환하여 내부 충진기체에서 전리 전자를 발생시키거나 또는 입사한 하전입자에 의해 내부 충진기체에서 전리전자를 직접 발생시키는 장치이다. 그래서 전리전자발생부(110)는 검출 목적에 알맞도록 엑스선 또는 감마선 또는 하전입자빔을 투과 또는 차단할 수 있는 물질을 골라(일반적으로 석영 또는 마일라 또는 G-10 또는 플렉시 글라스(Flexy glass)를 사용) 투과창(112)으로 삼고, 투과창(112)의 안쪽에 전극물질(금, 알루미늄, 구리, 은, 백금 등의 고전도성 물질을 사용)을 선정하여 코팅하여 음극(113)을 형성한다.
그리고 투과창(112)의 전극물질은 스푸터링(Sputtering) 또는 펄스 레이저 퇴적(Pulsed Laser Deposition) 방법으로 증착하거나 도금으로 입힐 수 있다.
한편 기체전자증폭부(120)는 하나 또는 둘 이상의 기체전자증폭기(GEM)로 구성할 수 있다. 도 1에서와 같이 본 발명의 일실시예에서는 2개의 기체전자증폭기(GEM)를 사용하여 기체전자증폭부(120)를 구성한 예를 보였는데, 2개 뿐만 아니라 1개의 GEM 또는 3개의 GEM을 사용하는 것도 가능하다. 그래서 만약 1개의 GEM을 사용하고자 하면 공간 형성을 위한 스페이서를 하나 사용하고, 2개의 GEM을 사용하고자 하면 공간 형성을 위한 스페이서를 두 개 사용하며, 3개의 GEM을 사용하고자 하면 공간 형성을 위한 스페이서를 세 개 사용하는 등 GEM과 스페이서의 개수를 가변적으로 구성할 수 있다. 이하에서는 두 개의 GEM을 사용한 경우를 중심으로 본 발명의 동작을 설명하도록 한다.
도 3은 도 1에서 기체전자증폭부의 구성예를 보인 개념사시도로서, GEM 포일(GF)의 예를 보인 것이다.
여기서 GEM 기술은 전자기학의 아주 간단한 개념을 이용한 것으로서, 전리전 자발생부(110)와 일차원 기체전자증폭 검출부(100)에서 일어나는 현상은, 고에너지 광자가 GEM 검출기인 일차원 기체전자증폭 검출부(100) 속으로 입사하여 입사창(111) 또는 투과창(112) 또는 음극(113)의 물질과 상호작용하여 변환된 광전자 또는 컴프턴전자나, 또는 중간에너지 광자가 GEM 검출기인 일차원 기체전자증폭 검출부(100) 속으로 입사하여 제 1 스페이서(115) 내부의 표류-가속 영역에 채워진 기체와 반응하여 변환된 광전자 또는 컴프턴전자나, 또는 입사 하전입자나 광자가 GEM 검출기인 일차원 기체전자증폭 검출부(100) 속으로 입사하여 제 1 스페이서(115) 내부의 표류-가속 영역에 채워져 있는 기체를 이온화시키고, 이때 생긴 양이온들은 음극(113)과 기체전자증폭부(121)(123) 양단에 걸어준 전위차에 의해 음극으로 천천히 이동하고, 전자는 빠른 속도(전자는 양이온보다 최소한 1/2000 이하보다 가벼우므로 인가전압에 의해 대략 양이온의 1000 배 이상의 속도를 얻게 된다)로 기체전자증폭부(121)(123) 하단에 위치한 출력부(130)의 출력전극(133)으로 이동한다.
도 4는 도 1에서 일차원 기체전자증폭 검출부의 구성예를 보인 개념사시도이고, 도 5는 도 1에서 일차원 기체전자증폭 검출부의 개념을 보인 단면도이다.
여기서 제 1 및 제 2 기체전자증폭부(121)(123)는 각각 3 ~ 5 개의 구멍이 길이 방향으로 배치된 GEM 포일(GF)을 사용할 수 있다.
그래서 전리전자발생부(110)에서 변환된 광전자 또는 컴프턴전자들에 의해 표류-가속 영역 내부의 충진기체에서 발생된 전리전자들 또는 입사된 하전입자에 의해 표류-가속 영역 내부의 충진기체에서 직접 발생된 전리전자들은 GEM 포일 (foil)인 제 1 및 제 2 기체전자증폭부(121)(123)의 특수한 기하학적 구조에 의해 밀집되는 전기장( > 104 V/cm)의 작용으로 인해 GEM 포일의 구멍 속으로 빠르게 가속된다. 그리고 GEM 포일에서 기체들과 급속하게 충돌함으로써 수천 배 이상의 전자들로 증폭되는 전자사태(Electron Avalanche)에 의해 생성되는 전자들, 혹은 전자사태 과정에서 동시에 방출되는 빛을 검출함으로써 표류-가속 영역, 표류-유도 영역, 유도 영역의 전자구름의 위치와 시간 정보를 고해상도로 측정하게 된다.
그리고 고체상태의 음극(113) 또는 표류-가속 영역에서 방출된 광전자 또는 컴프턴전자에 또는 입사 하전입자에 의해 표류-가속영역에서 이온화된 전리전자들은 제 1 기체전자증폭부(121)의 포일의 구멍에 빨려 들어가서 전자사태에 의해 증폭되고, 다음 단계의 GEM인 제 2 기체전자증폭부(123)에 의해 전자들이 차례로 증폭되어 큰 유효이득(Effective Gain)을 내게 된다.
여기서 만약 1개의 GEM을 사용할 경우에는, 제 1 기체전자증폭부(123)에 의해 전자구름을 형성시켜 출력부(130)에서 사용하게 할 수 있다.
또한 본 발명에서는 증폭전자들의 전기적 펄스 신호의 2차원 위치 정보(x, y)를 얻기 위해 미세회로기판(Micro printed circuit board, MPCB) 등을 사용하여 출력부(130)를 구성할 수 있다.
한편, 음극(113)과 제 1 기체전자증폭부(121) 사이에 500V ~ 2000V 정도의 전압을 인가하여 광전자 또는 컴프턴전자를 가속시킴으로써 1mm 간격 내의 표류-가속 영역에서 전자를 기체에서 떼어낼 수 있고(기체의 1가(최저) 전리에너지는 대략 10 ~ 20eV 정도이고, 또 기체의 전자-이온쌍 생성 평균에너지는 대략 30eV 정도이므로), 베떼-블로흐(Bethe-Bloch) 공식과 란다우(Landau) 분포공식에서 그 수를 대략 계산할 수 있다. 이것들을 GEM 구멍(Hole)을 통해 전자사태를 유도하면 약 105 정도의 유효이득을 내도록 할 수 있는데, 이 전자구름(또는 전자다발)을 출력부(130)에서 전기신호로 출력(Readout), 디지털화(Digitalize)하여 컴퓨터 화면이나 적당한 디스플레이 장치에 실시간 디지털 이미지로 디스플레이 할 수 있게 된다.
그리고 제 1 기체전자증폭부(121)는 전리전자발생부(110)의 표류-가속 영역에서 변환된 광전자 또는 컴프턴전자에 의해 표류-가속 영역 내부의 충진기체에서 발생한 전리전자를 입력받거나 또는 입사된 하전입자에 의해 표류-가속 영역 내부의 충진기체에서 발생한 전리전자를 기체전자증폭기(GEM)을 이용해 GEM 구멍 내부 충진기체에서 전자사태를 통해 증폭하기 때문에, 검출하고자 하는 빛의 파장과 전리전자발생부(110) 내의 코팅된 음극(113)에 알맞은 기체를 선택하여 구성해야 하며, 입력된 광전자 또는 컴프턴전자를 가속시키고 가속된 광전자나 컴프턴전자에 의해 표류-가속 영역 내부의 충진기체에서 생성된 전리전자 또는 입사된 하전입자에 의해 표류-가속 영역 내부의 충진기체에서 직접 전리된 전리전자들로 GEM 구멍에서 전자사태를 유발하여 기체를 이온화시킴으로써 전자의 수를 증폭시킨다.
이러한 제 1 기체전자증폭부(121)는 전리전자발생부(110)와의 간격이 0.1mm 내지 10mm 사이가 되도록 구성할 수 있다. 바람직하게는 0.1mm 내지 3mm로 구분하는 것이 적절하다. 이를 위해 제 1 스페이서(115)를 사용한다. 따라서 제 1 스페이 서(115)의 두께를 변화시키면, 전리전자발생부(110)의 입사창(111)과 제 1 기체전자증폭부(121) 사이의 간격을 조절하여 표류-가속 영역의 크기를 조절할 수 있다.
또한 제 1 기체전자증폭부(121)는 100V 내지 10000V 사이의 전압이 인가되도록 한다. 바람직하게는 500V ~ 2000V 사이의 전압을 인가하는 것이 적절하다.
그래서 검출하고자 하는 빛의 파장과 코팅된 음극(113)에 알맞은 기체를 선택할 수 있는데, 일차원 기체전자증폭 검출부(100)의 전리전자발생부(110)와 기체전자증폭부(120) 포일(foil) 사이의 표류-가속 영역(간격은 0.1mm 내지 2mm로 나누어 제작할 수 있음)에 500 ~ 2000V의 전압을 인가함으로써 제 1 기체전자증폭부(121)는 전리전자를 끌어당기는 역할을 수행하고, 끌려온 전리전자를 GEM 구멍에서 전자사태에 의해 증폭시킨다.
이때, 이온화된 주 기체(불활성기체)가 음극(113)에 부딪치기 전에 소량의 완충기체(Quenching Gas)와 충돌하게 함으로써 중성의 기체로 되돌아가면서 그 에너지를 완충기체(유기 다원자 가스)에게 주어 이온화시킨다. 그리고 이온화된 기체가 음극(113)에 부딪혀 자유전자와 결합하게 되고, 이에 따라 자외선 방출을 억제하면서(여기상태에서 바닥상태로 갈 때, 진동에너지 또는 분해되는 형태로 에너지를 방출함으로써 후속의 자외선 방출을 통제할 수 있다) 원래의 상태로 돌아가게 한다.
이와 동시에, 이온화 과정 또는 음극(113)과의 충돌 시에 일차원 기체전자증폭 검출부(100) 내부에서 발생하는 자외선에 의한 연속적인 이온화에 대해서도, 낱개의 분자로 분해됨으로써, 방전이 일어나지 않도록 하는 적당한 가스(페닝 효과, Penning effect), 그리고 이득(Gain)을 높일 수 있으면서도 수명이 오래가는 기체와 그 혼합비를 고려함과 동시에, 시간 해상도를 높일 수 있도록 감응시간이 빠른 종류의 가스를 일차원 기체전자증폭 검출부(100) 내의 제 1 스페이서(115)에 의해 형성된 표류-가속 영역에 적당한 기압으로 채워 넣고 전리 및 완충기체로 이용한다.
그리고 일차원 기체전자증폭 검출부(100)의 특성상 검출기의 인가전압은 비례계수 영역에서 작동하도록 세심한 주의를 해야 한다.
또한 제 2 기체전자증폭부(123)는 제 1 기체전자증폭부(121)에 의해 증폭된 전자들을 더욱 가속시키고, 전자사태(Electron Avalanche) 현상에 의해 GEM 구멍에서 일정한 배율로 전자의 수를 재 증폭시키게 된다.
이러한 제 2 기체전자증폭부(123)는 100V 내지 10000V 사이의 전압이 인가되도록 한다. 바람직하게는 500V ~ 2000V 사이의 전압을 인가하는 것이 적절하다.
이때 제 2 기체전자증폭부(123)는 제 1 기체전자증폭부(121)와의 간격이 0.1mm 내지 10mm 사이가 되도록 구성한다. 바람직하게는 0.1mm ~ 2mm 사이가 되도록 하는 것이 적절하다. 이를 위해 제 2 스페이서(122)를 사용한다. 따라서 제 2 스페이서(122)의 두께를 변화시키면, 제 1 기체전자증폭부(121)와 제 2 기체전자증폭부(123) 사이의 간격을 조절하여 표류-유도 영역의 크기를 조절할 수 있다.
그래서 제 2 기체전자증폭부(123)에 500V ~ 2000V를 걸어줌으로써 표류-가속 영역에서 광전자나 컴프턴전자에 의해 전리된 전자들을 GEM 포일의 구멍 속으로 가 속시킨다. 이때 전자사태 현상에 의해 전자의 수는 103 ~ 104배로 증폭된다. 또는 105 ~ 106으로 전자들을 더욱 증폭시킬 수도 있다. 그리고 GEM 층은 양면의 구리막 사이에 끼워진 캡톤(Kapton; Polyimide)에 의해 일종의 축전기처럼 행동한다.
그리고 제 2 기체전자증폭부(123)는 출력부(130)와의 간격이 0.1mm 내지 10mm 사이가 되도록 구성한다. 바람직하게는 0.1mm ~ 2mm 사이가 되도록 하는 것이 적절하다. 이를 위해 제 3 스페이서(124)를 사용한다. 따라서 제 3 스페이서(124)의 두께를 변화시키면, 제 2 기체전자증폭부(123)와 출력부(130)의 차지킬러(131) 사이의 간격을 조절하여 유도 영역의 크기를 조절할 수 있다.
이때 각 층(Layer) 사이의 간격에 따라 증폭도 등이 영향을 받으므로 GEM 간의 간격을 0.1mm ~ 2mm 변환시키며, 최적의 조건을 찾아야 한다. 또한 제 2 기체전자증폭부(123)와 출력부(130) 사이의 간격은 0.1mm ~ 2mm로 변환시키면서 이에 따른 공간 분해능의 영향을 확인하여 층간 간격에 따른 최적 조건을 찾아 검출장치를 설계한다.
또한 앞서 설명하였듯이, 제 2 기체전자증폭부(123)와 제 3 스페이서(124)를 제외하고, 1개의 GEM인 제 1 기체전자증폭부(121)와 제 2 스페이서(122)만으로 기체전자증폭부(120)를 구성하는 것도 가능하며, 3개 이상의 GEM과 스페이서를 사용하여 기체전자증폭부(120)를 구성하는 것 또한 가능하다.
한편 출력부(130)는 기체전자증폭부(120)에서 증폭된 전자구름을 전기신호로 받아들여 일차원상의 좌표로 파악하여 출력하게 된다.
이러한 출력부(130)는 MPCB로 구성할 수 있는데, 이는 차지킬러(131), 절연체(132), 출력전극(133), 지지부(134)로 구성할 수 있다. 그리고 지지부(134)는 유리, G-10, 에폭시(Epoxy), 페놀수지(Phenolic Resin) 등과 같은 소재를 사용할 수 있다.
또한 차지킬러(131)는 고전도성 물질을 단일 코딩하여 구성할 수 있다.
또한 차지킬러(131)는 접지에 연결되도록 함으로서 출력부(130) 외부에 떨어지는 불필요한 전자들을 빠르게 배출시키는 역할을 한다. 이것은 불필요한 전자들을 신속히 제거하여 신호의 S/N비(Signal-Noise ratio, 신호 대 잡음비)를 높이고자 함이다.
또한 절연체(132)는 차지킬러(131)와 출력전극(133)을 절연시켜 신호를 발생시키는 전자구름이 떨어지는 공간 영역을 제한하기 위한 것으로서, 신호의 공간 분해능을 향상시키게 된다.
그래서 차지킬러(131)는 기체전자증폭부(120)에서 증폭되었지만 신호로서 부적절한 전자구름을 제거하는 효과를 낸다. 이러한 차지킬러(131)는 전도성이 좋은 물질을 절연체(132) 위에 단일 코팅하여 사용하도록 구성할 수 있다.
또한 절연체(132)는 차지킬러(131)와 출력전극(133)을 절연시킨다. 이러한 절연체(132)는 면저항성이 큰 물질인 마일라 필름 또는 폴리미드(켑톤)와 유사한 물질을 10㎛ 내지 100㎛ 사이의 두께로 사용할 수 있다. 바람직하게는 50㎛ 정도의 두께로 절연시키는 것이 적절하다.
또한 출력전극(133)은 기체전자증폭부(120)에서 증폭된 전자구름을 전기신호 를 출력한다.
그래서 출력부(130)는 기체전자증폭부(120)에서 증폭된 전자구름을 MPCB(미세회로기판)에 전기신호로 받아들임으로써 이송부(300)에 의해 이송되는 피사체의 평면상 좌표를 알아낼 수 있게 된다.
또한 출력부(130)의 MPCB(미세회로기판)은 세로로 미세한 선형 전극들을 균일하게 나열하여 어레이(Array) 형으로 만들어 사용할 수 있다.
또한 출력부(130)를 구성하기 위해 ASIC 출력 기술을 사용하거나 지연라인 출력 MPCB를 이용할 수도 있다. 또한 아주 다른 출력 디바이스(Readout Device)로서, PCB 대신 인광성(Phosphor) 또는 형광성(fluorescence) 물질을 도핑(Doping)한 스크린(P20, P22, P46 등)과 CCD 카메라를 결합하여 출력부(130)를 구성할 수도 있다. 그러면 GEM 구멍(Hole)들에서 전자사태가 발생할 때 방출되는 자외선 또는 가시광선을 검출함으로써 입사광의 이미지를 얻는 방식을 선택할 수도 있다. 이때 나오는 빛의 파장은 내부의 기체에 의해 결정된다. 또한 출력부(130)는 ASIC(Applicable Specific Integrated Circuit) 출력 기술(Readout Electronics), 저항성 양극 출력 기술(Resistive Anode Readout Electronics), 패드/스트립 양극 기술(Pad or Strip Anode Electronics), 지연라인 양극 출력 기술(Delay-line Anode Readout Electronics), MSGC(Microstrip Gas Chamber) 출력 기술(readout Electronics), 신틸레이션 출력 기술(Scintillation Readout Electronics) 등으로 구성하여, 검출 목적에 알맞은 방식을 선택하여 출력부(130)를 구성할 수 있다.
이렇게 검출된 아날로그 신호는 ADC(Analog-to-Digital Conversion, 아날로 그-디지털 변환)에 의해 디지털 신호로 변환할 수 있다.
그러나 신틸레이션물질이나 형광물질 또는 인광물질로 출력부(130)를 구성할 경우 입사광의 디지털 이차원 정보를 얻기가 용이하지 않다. 그래서 신틸레이션 물질(Scintillation Material)을 작게 만들어 어레이(Array) 형으로 만들어 2차원 정보를 획득하기도 하는데, 마이크로 규모의 분해능을 얻을 수 있도록 섬광물질을 미세한 픽셀로 가공해야 한다.
또 다른 방법으로는 마이크로 채널 모세판(Microchannel Capillary Plate)을 쓰기도 하는데, 그것은 크게 만들 수가 없고 깨지기 쉬운 단점을 갖고 있으므로 이를 보완하여 구성하도록 한다.
그리고 PMT(Photo Multiplier Tube)를 활용한 두 방법은 광-광-전자-전기 신호(전자증폭)의 과정이 분리되어 있으나, MPCB를 이용하여 출력부(130)를 구성하게 되면 얇은 두께(5 ~ 20mm) 내에서 전 과정이 결합되므로 입사방사선의 평면 정보를 상당히 높은 분해능에 의해 추출할 수 있게 된다. 이때 에너지를 측정하는 경우에는 전리전자발생부(110)와 제 1 기체전자증폭부(121)의 사이의 간격이 너무 얇아 란다우(Landau) 분포를 하므로 베떼-블로흐(Bethe-Bloch) 공식에 따른 메커니즘을 세밀하게 검토하여 보완하도록 한다.
한편 일차원 기체전자증폭 검출부(100)를 하우징할 경우에는 사각통 형태로 구성할 수 있다. 물론 이외의 형상을 갖는 형태로 일차원 기체전자증폭 검출부(100)를 형성하는 것도 가능하다.
또한 제 1 내지 제 3 스페이서(115)에 의해 외벽을 형성하면서 전리전자발생 부(110), 기체전자증폭부(120), 출력부(130) 각각의 접합면에 접착제를 도포하여 접착시킴으로써 하우징한다. 그리고 제 1 스페이서(115)에 의해 형성된 표류-가속 영역에는 이온화를 위한 주기체와 완충기체가 채워지며, 기체 봉입형 또는 기체주입-배출형 중에서 어느 하나의 형태로 기체가 봉입되거나 주입-배출되도록 구성할 수 있다. 또한 표류-유도 영역과 유도 영역에도 똑같은 기체들로 채워져야 한다.
그래서 가로 x 세로 x 높이 = (10mm ~ 300mm) x (1mm ~ 5mm) x (5mm ~ 10mm) 정도인 부품으로 일차원 기체전자증폭 검출부(100)를 형성하여 칩처럼 꽂아서 사용하도록 구성할 수 있다.
이에 따라 일차원 기체전자증폭 검출부(100)는 입사방사선이 엑스선(주로 100keV 이하)인 경우는 주로 표류-가속 영역에서 내부 기체와 반응하여 광전효과나 컴프턴효과에 의해 검출된다. 반면 감마선(주로 100keV 이상)인 경우는 입사창(111) 또는 투과창(112) 또는 구리, 금, 백금, 알루미늄 코팅된 박막부분인 음극(113)에서 광전효과나 컴프턴효과가 일어나고, 기체의 광전효과 및 컴프턴효과의 충돌 단면적이 작기 때문에 내부의 기체에서는 거의 일어나지 않는다. 따라서 감마선은 입사창(111) 또는 투과창(112) 또는 음극(113)에서 검출된다. 다만, GEM 포일의 구멍에서 전리전자가 증폭되는 원리는 엑스선과 감마선 모두 동일하다. 또한 하전입자가 입사되는 경우에는 음극(113)과 제 1 기체전자증폭부(121) 사이의 표류-가속 영역에 채워진 기체들을 직접 전리시킴으로써 검출된다. 그리고 표류-가속 영역이 얇기 때문에 입사 방사선의 잃어버린 에너지가 란다우(Landau) 분포를 한다.
한편 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치는 도 6 및 도 7에 서와 같이 방사선입사부(200)와 이송부(300)를 더욱 포함하여 구성할 수 있다.
여기서 방사선입사부(200)는 엑스선 또는 감마선과 같은 입사광이거나 또는 입사된 하전입자빔인 입사방사선을 피사체에 투사하여 일차원 기체전자증폭 검출부(100)에서 입사광 또는 입사하전입자를 검출할 수 있도록 한다.
또한 이송부(300)는 방사선입사부(200)의 엑스선 또는 감마선 또는 하전입자빔이 피사체를 통과하여 일차원 기체전자증폭 검출부(100)로 전달되도록 피사체를 이송시키게 된다. 이러한 이송부(300)는 공항이나 항만과 같은 장소에 설치되어 피사체 내외부의 평면 영상을 얻을 수 있도록 사용할 수 있다. 또한 이송부(300)는 기존에 설치된 컨베이어벨트 시스템 등을 사용할 수 있다.
그래서 일차원 기체전자증폭 검출부(100)의 경우, 한 자리에서 신호를 읽게 되면 일차원 정보 밖에 얻을 수가 없게 되는데, 일차원 기체전자증폭 검출부(100)는 고정한 채로 두고 이송부(300)에 의해 피사체를 일정한 속도로 이송시키면서 연속적으로 신호를 읽은 다음 순차적으로 출력을 하여 필요한 이차원 화상을 얻을 수 있게 된다.
한편 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치는 도 6 및 도 8에서와 같이 분석부(400)를 더욱 포함할 수 있다. 이러한 분석부(400)는 일차원 기체전자증폭 검출부(100)에서 출력된 전기신호를 분석하여 이차원 영상으로 피사체 내외부의 평면정보를 재구성할 수 있도록 데이터획득부(410)와 PC(490)로 구성할 수 있다.
그래서 데이터획득부(410)는 일차원 기체전자증폭 검출부(100)의 출력부 (130)에서 출력된 전기신호를 세기에 따라 입력받아 분석하도록 DAQ(Data Aquisition) 카드로 구성할 수 있고, PC(490)는 데이터획득부(410)에서 분석된 정보를 이차원 영상으로 피사체의 평면정보를 재구성하게 된다.
또한 데이터획득부(410)는 도 9에서와 같이, 제어부(420), 주채널처리부(430), 멀티플렉서(440), 고속 AD 변환부(450)로 구성할 수 있고, 또한 더미채널처리부(460), 테스트펄스생성부(470), 테스트채널처리부(480)를 더욱 포함하여 구성할 수도 있다.
그래서 제어부(420)는 데이터획득부(410)의 동작을 제어하게 되는데, 주채널처리부(430), 멀티플렉서(440), 고속 AD 변환부(450), 더미채널처리부(460), 테스트펄스생성부(470), 테스트채널처리부(480) 등을 제어하여 데이터획득부(410)에서 출력부(130)에서 출력된 전기신호를 세기에 따라 입력받아 분석할 수 있도록 한다.
또한 주채널처리부(430)는 일차원 기체전자증폭 검출부(100)에서 출력된 전기신호에 대한 주채널 처리를 수행하여 신호의 세기에 따라 신호를 분류하여 입사 엑스선 또는 입사 감마선 또는 입사 하전입자인 입사방사선의 에너지 분포를 파악하여 출력하게 된다. 이때 주채널은 검출화상의 해상도에 따라 수백 혹은 수천 개로 구성할 수 있다.
이러한 주채널처리부(430)는 전치증폭부(431), 셰이퍼(432), 버퍼(433), 파이프라인(434), 주증폭부(435)를 포함하여 구성할 수 있다.
그래서 주채널처리부(430)의 전치증폭부(431)는 일차원 기체전자증폭 검출부(100)의 출력부(130) 내에 있는 출력전극(133)에서 출력된 미약한 전기신호를 증폭 시킨다. 여기서 일차원 기체전자증폭 검출부(100)의 기체전자증폭부(120)에 전압을 걸어주면 전자들은 출력부(130)의 출력전극(133)에 도착하고, 출력전극(133)에서 전기신호를 추출하게 되는데, 출력부(130)의 출력전극(133)에서 출력되는 전기신호는 전압 형태로 나타나게 된다. 이때 출력전극(133)에서 출력되는 전기신호는 미약하기 때문에 먼저 전치증폭기(Preamplifier) 기능을 수행하는 전치증폭부(431)로 증폭시키게 된다.
또한 주채널처리부(430)의 셰이퍼(432)는 전치증폭부(431)에서 증폭된 신호에 대해 잡신호를 제거하고 파고선별 기능을 수행하여 펄스 모양을 재구성하게 된다.
또한 버퍼(433)는 셰이퍼(432)의 출력을 저장하게 되는데, 신호의 세기에 비례하는 전하량으로 저장한다.
또한 파이프라인(434)은 버퍼(433)에 저장된 전기신호를 분류하여 입사방사선의 에너지 분포를 파악하여 출력하게 된다.
또한 주증폭부(435)는 파이프라인(434)의 출력을 증폭시켜 멀티플렉서(440)로 전달하게 된다.
그리고 버퍼(433), 파이프라인(434), 주증폭부(435)는 DCSC(Double Correlated Sampling Circuits)로 구성할 수 있다.
또한 멀티플렉서(440)는 주채널처리부(430)의 출력을 다중화하여 출력한다.
또한 고속 AD 변환부(450)는 멀티플렉서(440)의 출력을 고속 AD 변환하여 출력한다. 즉, 멀티플렉서(440)에서 출력되는 신호는 아날로그 신호이므로, 고속 AD 변환부(450)를 이용해 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꿈으로써 데이터 획득(Data Aquisition)과 정보 저장 및 처리를 용이하게 해 줄 수 있다.
이때 주채널처리부(430)의 전치증폭부(431), 셰이퍼(432), 버퍼(433), 파이프라인(434), 주증폭부(435), 그리고 멀티플렉서(440)와 고속 AD 변환부(450) 등은 긴밀한 시간 관계에 의해 동작하여야 한다. 이를 위해서 각 소자에는 동기화된 타이밍(Timing) 신호를 분배하여야 하는데, 이를 위해서 FPGA(Field Programmable Gate Array, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)와 같은 ASIC(Applicable Specific Integrated Circuit) 설계용 칩을 사용할 수 있다. 그리고 고속 AD 변환부(450)에서 디지털로 변환된 신호는 외부 메모리(도면상에 미도시)에 저장되거나 혹은 바로 PC(490)로 전송되어 처리된다.
또한 더미채널처리부(460)와 테스트채널처리부(480)는 각각 더미채널과 테스트채널을 처리할 수 있도록 구성할 수 있다. 더미채널처리부(460)와 테스트채널처리부(480)는 각각 전치증폭부(461)(481), 셰이퍼(482), 버퍼(462),(483), 파이프라인(463)(484), 주증폭부(464)(485) 등을 포함하여 구성할 수 있다.
이에 따라 일차원 기체전자증폭 검출부(100)에서 받아들인 전기신호는 DAQ 카드인 데이터획득부(410)로 보내져 2차원 점의 정보로 축적되어 데이터화된다. 이 데이터는 PC(490)와 연결되어 실시간으로 영상화 처리를 할 수 있게 된다.
그리고 DAQ 카드에는 프론트엔드 바이어스 생성기(Frontend Bias Generator), I2C(Inter-Integrated Circuit) 인터페이스, 백엔드 바이어스 생성기(Backend Bias Generator) 등의 소자가 추가될 수 있다.
또한 DAQ 카드인 데이터획득부(410)에 축적된 데이터를 디스플레이 하도록 디스플레이부(500)(도 6 및 도 10 참조)를 부가할 수 있다. 이러한 디스플레이부(500)는 컴퓨터프로그램을 이용해 획득, 저장, 축적된 데이터를 색상 처리하여 밀도분포에 따라 디스플레이 하게 된다. 이를 위해 프린터(510), 플로터(520), 컴퓨터화면(530), 액정화면(540) 등등을 디스플레이부(500)로 사용할 수 있다.
또한 일차원 기체전자증폭 검출부(100)를 한 개의 부품이 되도록 구성하여 분석부(400)와 디스플레이부(500)에 연결하여 사용할 수 있다. 그래서 일차원 기체전자증폭 검출부(100)의 수명이 다했을 때 일차원 기체전자증폭 검출부(100)만을 교체하여 사용할 수 있다.
이처럼 본 발명은 엑스선 또는 감마선과 같은 고에너지 입사 광에 의한 광전효과나 컴프턴효과를 유도하여 발생된 내부 충진기체의 전리전자 또는 입사 하전입자에 의해 직접 발생된 내부 충진기체의 전리전자를 기체전자증폭기를 이용하여 GEM 구멍에서 전자사태를 통해 증폭시켜 피사체 내외부의 화상정보를 실시간에 이차원으로 영상화하여 항만이나 공항 등의 보안검색용이나 또는 산업용 비파괴검사장치의 핵심부품 등으로 사용하게 되는 것이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치 및 그 제어방법은 엑스선 또는 감마선과 같은 고에너지 입사 광에 의한 광전효과나 컴프턴효과를 유도하여 발생된 내부 충진기체의 전리전자 또는 입사 하전입자에 의해 직접 발생된 내부 충진기체의 전리전자를 기체전자증폭기를 이용하여 GEM 구멍에서 전자사태를 통해 증폭시켜 피사체 내외부의 화상정보를 실시간에 이차원으로 영상화하여 항만이나 공항 등의 보안검색용이나 또는 산업용 비파괴검사장치의 핵심부품 등으로 사용할 수 있는 효과가 있게 된다.
또한 본 발명은 MPCB를 사용함으로써 튜브(Tube)와 다이노드(Dynode)가 필요 없으면서도 성능은 종래의 제품보다도 월등하고, 두께는 얇고, 사용하기는 간편할 것이 분명하기 때문에, 산업적으로 수요가 다양한 엑스선 또는 감마선 또는 하전입자빔 검출용 일차원 검출기의 차세대 경박단소형 방사선 검출기가 될 것이다.
또한 본 발명을 이용하면, 의료용 X-선 실시간 영상장치로 이용될 수 있는 등 고부가가치의 기술로서의 효과가 예견되고 있다. 뿐만 아니라 산업용 비파괴검사장치로도 폭넓게 활용될 수 있다.
또한 가시광선을 검출하는 데는 우수하나 엑스선이나 감마선을 검출하기는 어려운 CCD 보다도, 본 발명에 의한 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치는 비슷한 수준의 공간 해상도에다 수 나노초의 훨씬 우수한 시간 해상도를 갖는 장점이 있다.
또한 현재 상용화되어 있는 종래의 엑스선 또는 감마선 검출용 보안검색장치 는 실리콘, 게르마늄, 또는 신틸레이터 등을 사용하는 것들로서, 이것들은 각각 고에너지 광자의 측정에서 검출효율이 떨어지는 물리적 특성, 상온에서의 작동을 위한 냉각장치의 필요성, 위치해상도를 높이기 어려운 결정성과 함께 장치의 규모를 대형화하기 어려운 문제점들을 갖고 있다. 반면에 본 발명은 제작하기가 비교적 쉽고 저렴하며 가볍고 크기와 형태를 자유자재로 변형할 수 있음은 물론, 여러 영역 대 에너지의 광자나 하전입자들을 잘 검출할 수 있다는 장점을 구비하고 있으므로, 검출기 제작 및 출력 기술을 부가함으로써 향후 상당한 시장규모로 성장할 수 있는 발명임에 틀림없으며, 성능과 가격경쟁이라는 측면에서도 확실한 우위를 차지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (23)

  1. 입사한 엑스선 또는 감마선으로 내부 충진기체에서 전리전자를 발생시키거나 또는 입사한 하전입자로 내부 충진기체에서 전리전자를 발생시키는 전리전자발생부와;
    상기 전리전자발생부에서 발생된 전리전자를 입력받아 GEM을 이용해 GEM 구멍 내부 충진기체에서 전자사태를 통해 증폭시켜 전자구름을 형성시키는 기체전자증폭부와;
    상기 기체전자증폭부에서 증폭되어 형성된 전자구름이 출력전극에 도달한 위치를 전기신호로 받아들임으로써 전자구름의 좌표를 파악하여 출력하는 출력부;를 포함하여 일차원 기체전자증폭 검출부를 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전리전자발생부는,
    입사한 감마선을 광전자 또는 컴프턴전자로 변환시키거나 또는 입사한 엑스선이나 입사한 하전입자를 받아들이는 입사창과;
    상기 입사창과 상기 기체전자증폭부 사이에 위치하고, 상기 입사한 엑스선 또는 감마선을 광전자 또는 컴프턴전자로 변환시키면서 이들 변환된 광전자 또는 컴프턴전자에 의해 내부 충진기체에서 전리전자를 발생시키거나 또는 입사한 하전입자에 의해 내부 충진기체에서 전리전자를 직접 발생시키는 표류-가속 영역을 형 성하고, 내부에 미리 설정한 비율로 혼합된 주기체와 완충기체가 미리 설정한 기압으로 채워진 제 1 스페이서;를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 입사창은,
    입사한 엑스선 또는 감마선을 검출 목적에 맞게 투과 또는 차단하는 투과창과;
    상기 투과창을 투과하여 입사된 방사선이 도달되고, 음극을 형성하도록 전극물질이 코팅된 음극;을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 음극은,
    전극물질로 금, 알루미늄, 구리, 은, 백금 중에서 하나 이상을 사용하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 음극은,
    상기 전극물질을 5 ~ 30 마이크로미터의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 기체전자증폭부는,
    하나 또는 둘 이상의 기체전자증폭기를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 기체전자증폭부는,
    상기 전리전자발생부에서 변환되어 표류-가속 영역의 기체에서 전리된 전자들을 가속시키고 GEM 구멍에 충진된 기체에서의 전자사태에 의해 일정한 배율로 전자의 수를 증폭시키는 제 1 기체전자증폭부와;
    상기 제 1 기체전자증폭부와 상기 출력부 사이에 위치하여 유도 영역을 형성하고, 내부에 미리 설정된 비율로 혼합된 주기체와 완충기체가 미리 설정된 기압으로 채워진 제 2 스페이서;를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 기체전자증폭부는,
    상기 전리전자발생부에서 변환되어 표류-가속 영역의 기체에서 전리된 전자들을 가속시키고 전자사태에 의해 GEM 구멍의 기체에서 일정한 배율로 전자의 수를 증폭시키는 제 1 기체전자증폭부와;
    상기 제 1 기체전자증폭부와 상기 제 2 기체전자증폭부 사이에 위치하여 표류-유도 영역을 형성하는 제 2 스페이서와;
    상기 제 1 기체전자증폭부에서 증폭된 전자들을 전자사태 현상에 의해 GEM 구멍의 기체에서 일정한 배율로 전자의 수를 다시 증폭시켜 전자구름을 형성하는 제 2 기체전자증폭부와;
    상기 제 2 기체전자증폭부와 상기 출력부 사이에 위치하여 유도 영역을 형성하고, 내부에 미리 설정된 비율로 혼합된 주기체와 완충기체가 미리 설정된 기압으로 채워진 제 3 스페이서;를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 기체전자증폭부는,
    각각 3 ~ 5 개의 구멍이 길이 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 출력부는,
    상기 기체전자증폭부에서 증폭된 전자구름 이외의 잡신호를 없애는 차지킬러와;
    상기 차지킬러와 출력전극을 절연시켜 전자구름이 떨어지는 공간 영역을 제한하여 신호의 공간 분해능을 향상시키는 절연체와;
    상기 차지킬러와 상기 절연체를 지나간 전자구름에 의한 전기신호를 상기 출력부의 외부로 전달하는 출력전극과;
    상기 출력전극을 지지하는 지지부;를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 차지킬러는
    고전도성 물질을 단일 코팅하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 차지킬러는,
    상기 기체전자증폭부에서 증폭된 전자구름 이외의 잡신호를 없애도록 상기 출력전극의 테두리에 전도성 물질을 단일 코딩하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  13. 청구항 10에 있어서, 상기 차지킬러는,
    접지에 연결되는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치는,
    엑스선 또는 감마선 또는 하전입자빔과 같은 입사방사선을 피사체에 투사하는 방사선입사부와;
    상기 방사선입사부의 입사방사선이 피사체를 통과하여 상기 일차원 기체전자증폭 검출부로 전달되도록 상기 피사체를 이송시키는 이송부;를 더욱 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치는,
    상기 일차원 기체전자증폭 검출부에서 출력된 전기신호를 분석하여 피사체 또는 피사체 내외부의 영상정보를 이차원 화상으로 재구성하는 분석부;를 더욱 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 분석부는,
    상기 일차원 기체전자증폭 검출부에서 출력된 전기신호를 세기에 따라 입력받아 분석하도록 DAQ 카드로 구성된 데이터획득부와;
    상기 데이터획득부에서 얻은 분석된 피사체 내외부의 정보를 평면 화상으로 재구성하는 PC;를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 데이터획득부는,
    상기 데이터획득부의 동작을 제어하는 제어부와;
    상기 일차원 기체전자증폭 검출부에서 출력된 전기신호에 대한 주채널 처리를 수행하여 신호의 세기에 따라 신호를 분류하여 입사방사선의 에너지 분포를 파악하여 출력하는 주채널처리부와;
    상기 주채널처리부의 출력을 다중화하여 출력하는 멀티플렉서와;
    상기 멀티플렉서의 출력을 고속 AD 변환하여 출력하는 고속 AD 변환부;를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 주채널처리부는,
    상기 일차원 기체전자증폭 검출부에서 출력된 전기신호를 증폭시키는 전치증폭부와;
    상기 전치증폭부에서 증폭된 신호에 대해 펄스 모양을 재구성하는 셰이퍼와;
    상기 셰이퍼의 출력을 저장하는 버퍼와;
    상기 버퍼에 저장된 전기신호를 분류하여 입사방사선의 에너지 분포를 파악하여 출력하는 파이프라인과;
    상기 파이프라인의 출력을 증폭시켜 상기 멀티플렉서로 전달하는 주증폭부;를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  19. 청구항 17에 있어서, 상기 데이터획득부는,
    더미채널로 입력된 전기신호를 증폭시키는 전치증폭부, 상기 전치증폭부의 출력을 저장하는 버퍼, 상기 버퍼에 저장된 전기신호를 분류하여 입사방사선의 에너지 분포를 파악하여 출력하는 파이프라인, 상기 파이프라인의 출력을 증폭시켜 상기 멀티플렉서로 전달하는 주증폭부를 포함하여 이루어진 더미채널처리부;를 더욱 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  20. 청구항 17에 있어서, 상기 데이터획득부는,
    테스트펄스를 생성하는 테스트펄스생성부와;
    상기 테스트펄스생성부에서 생성된 테스트펄스신호를 입력받아 증폭시키는 전치증폭부, 상기 전치증폭부에서 증폭된 신호에 대해 펄스 모양을 재구성하는 셰이퍼, 상기 셰이퍼의 출력을 저장하는 버퍼, 상기 버퍼에 저장된 전기신호를 분류하여 테스트펄스의 에너지 분포를 파악하여 출력하는 파이프라인, 상기 파이프라인의 출력을 증폭시켜 상기 멀티플렉서로 전달하는 주증폭부를 포함하여 이루어진 테스트채널처리부;를 더욱 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  21. 청구항 15에 있어서, 상기 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치는,
    프린터, 플로터, 컴퓨터화면 또는 액정화면 중에서 하나 이상으로 이루어지고, 상기 분석부에서 출력된 신호를 입력받아 재구성된 피사체 내외부의 영상정보를 이차원 화상으로 출력하는 디스플레이부;를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치.
  22. 이송부에 의해 이송되는 피사체에 엑스선 또는 감마선 또는 하전입자빔을 투사하면, 전리전자발생부의 음극 또는 표류-가속 영역에서 투사된 엑스선 또는 감마선을 광전자 또는 컴프턴전자로 변환시키고 변환된 광전자 또는 컴프턴전자에 의해 표류-가속 영역의 기체에서 전리전자를 발생시키거나 또는 입사 하전입자로 표류-가속 영역의 기체에서 전리전자를 직접 발생시키는 제 1 단계와;
    상기 제 1 단계에서 발생된 전리전자를 가속시키고 GEM 구멍 내부 충진기체에서 전자사태를 통해 증폭시켜 전자구름을 형성하여 전자구름의 신호를 추출하는 제 2 단계와;
    상기 제 2 단계에서 추출된 신호를 분석하여 피사체 내외부의 영상정보를 평면 화상으로 출력하는 제 3 단계;를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치의 제어방법.
  23. 청구항 22에 있어서, 상기 제 2 단계는,
    상기 제 1 단계 후 기체전자증폭부는 표류-가속 영역의 전리전자를 가속시켜 GEM을 이용해 GEM 구멍 내부 충진기체에서 전자사태를 통해 증폭시키고 전자구름을 형성시키는 단계와;
    상기 기체전자증폭부에서 형성된 유도 영역의 전자구름으로부터 출력부의 출력전극에서 전기신호를 추출하는 단계;를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 일차원 기체전자증폭 디지털 영상화 방사선 검출장치의 제어방법.
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