KR20090052428A - 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출기 및 그검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입사되는 방사선의 에너지 레벨에 관한 정보를 얻을 수 있는 방사선 검출기에 관한 것으로서, 동일한 구성의 다수개의 방사선 감지센서를 사용하여 검출기를 구성하되, 각각의 방사선 감지센서를 다른 종류 또는 서로 다른 두께의 금속필터로 차폐하여 배열한 후, 상기 다수개의 방사선 감지센서에서 각각 검출되는 방사선량을 비교·평가함으로써 입사되는 방사선의 방사선량을 측정함과 동시에, 입사되는 방사선의 에너지 레벨에 대한 정보를 얻을 수 있는 방사선 검출기에 관한 것이다.

본 발명은, 동일한 구성의 다수개의 방사선 감지센서를 이용하여 검출기를 구성하되, 각각의 방사선 감지센서는 서로 다른 두께 혹은 다른 물질로 구성된 금속필터에 의해 차폐되도록 구성된 - 상기 다수개의 방사선 감지센서 중 1개의 방사선 감지센서에는 아무런 차폐체가 없이 설치될 수도 있음 - 방사선 감지부와; 상기 방사선 감지부를 구성하는 다수개의 방사선 감지센서에서 각각 검출되는 방사선량을 비교·평가함으로써 입사되는 방사선의 에너지 레벨에 대한 정보를 판독하는 마이크로 프로세서;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출기를 제공한다.

방사선, 검출기, 감지센서, 방사선량, 에너지 레벨

Description

에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출기 및 그 검출방법{A Radiation detector capable of detecting the radiation energy level and the detection method using the same}

본 발명은 입사되는 방사선의 에너지 레벨에 관한 정보를 얻을 수 있는 방사선 검출기에 관한 것으로서, 동일한 구성의 다수개의 방사선 감지센서를 사용하여 검출기를 구성하되, 각각의 방사선 감지센서를 다른 종류 또는 서로 다른 두께의 금속필터로 차폐하여 배열한 후, 상기 다수개의 방사선 감지센서에서 각각 검출되는 방사선량을 비교·평가함으로써 입사되는 방사선의 방사선량을 측정함과 동시에, 입사되는 방사선의 에너지 레벨에 대한 정보를 얻을 수 있는 방사선 검출기에 관한 것이다.

방사선 검출기는 방사선량을 측정하거나 혹은 방사선 에너지를 측정하는 장치로서 대표적인 방사선 검출기로 NaI, CsI 등과 같은 섬광물질을 기반으로 하는 섬광검출기, 그리고 HPGe검출기와 CZT(CdZeTe)검출기와 같은 반도체 검출기가 있다.

섬광체검출기는 방사선(X-선, Gamma-선, 알파, 베타선)을 빛으로 전환하는 섬광체와 이 빛을 다시 전기적 신호로 바꾸는 광증배관(PMT, Photomultiplier tube)으로 이루어져 있는데, 고가의 섬광체 물질과 PMT때문에 섬광체검출기 전체시스템의 가격은 높다.

또한 에너지 측정이 가능한 반도체 검출기로는 HPGe검출기와 CZT검출기가 대표적인데, 검출기의 고유 특성상 극저온의 냉각시스템과 제작상의 어려움 때문에 이들 반도체검출기 또한 고가이며 부피가 커서 취급이 불편하다는 단점이 있다.

그리고 단순히 개인의 방사선량을 측정하기 위해서는 1개의 감지 센서로 구성된 GM튜브와 포토다이오드(photodiode)에 기반한 검출기가 사용되고 있다. 이들 검출기는 방사선 개수를 계수하여 선량으로 환산하기 때문에 전체구조가 간단하지만, 방사선 에너지에 따라 방사선과 검출기의 방사선 감지센서에 대한 반응 특성이 다르기 때문에, 매번 방사선 에너지에 따른 반응을 보정하지 않으면 정확한 선량을 평가하기 어렵다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 도입되고 있는 방법으로는, 방사선 감지센서를 금속필터로 차폐하는 방법이 사용된다. 상기 금속필터는 저에너지 방사선을 감쇄시켜서 방사선 검출기의 감지영역에 도달되는 방사선 수를 줄여 반응확률을 낮추고, 고에너지 방사선은 그 에너지를 약화시켜서 반응확률을 높여준다. 상기 금속필터들은 주석(Sn), 납(Pb), 구리(Cu) 혹은 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 그 두께는 방사선 특성과 방사선 검출기의 방사선 감지센서 및 필터물질의 특성 등에 의해 결정된다. 도 1은 이와 같은 방법으로 종래의 방사선 감지센서(110)를 금속필터(120)로 차폐하여 구성한 예를 도시한 것이다.

이와 같이, 필터를 사용하면 필터를 사용하지 않았을 때보다 방사선과 검출기의 반응 특성을 방사선 에너지에 상관없이 어느 정도 일정하게 유지시킬 수 있으므로, 단지 방사선 개수를 계수하더라도 실제값에 가까운 방사선량을 예측할 수 있게 된다.

그러나 이러한 방식은 방사성물질 분석을 위한 에너지 정보를 제공하지 못하므로 운반되고 있는 방사성물질이 방사성테러와 같은 악의적 목적으로 사용될 가능성이 있는 불법물질인지 혹은 주변 환경 방사성물질인지 구별할 수 없다.

또한, 방사능테러를 위한 핵물질 및 방사성물질의 운반 조건을 고려하였을 때, 낮은 방사능을 짧은 시간에 측정가능하도록 높은 감도가 요구되는바, 방사능테러 탐지장비는 큰 감지영역을 가져야 한다. 그러나 방사능테러 탐지를 목적으로 기존의 NaI 검출기, HPGe 검출기, CZT 검출기의 감지영역을 증가시키는 것은 매우 높은 비용이 소요되기 때문에 이들 검출기의 감지영역을 증가시켜 검출기의 감도를 향상시키는데 한계가 있다. 그리고 1개의 방사선 탐지센서를 사용하는 기존의 GM튜브와 포토다이오드에 기반한 검출기는 가격은 저렴하지만 에너지 정보를 얻을 수 없고 또한 감지영역이 매우 작다.

본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 방사선량을 측정하는 동시에, GM튜브와 포토다이오드에 기반한 종래의 검출기로는 얻을 수 없는 방사선의 에너지 정보를 판독할 수 있는 검출기를 제공하는데 있다. 또한 본 발명은, 구조가 간단해서 취급이 용이하고, 고가인 NaI 섬광체, HPGe 및 CZT물질을 사용하지 않아 그 제작비용이 기존의 방사선 검출기에 비해 상대적으로 매우 저렴한 방사선 검출기를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 동일한 구성의 다수개의 방사선 감지센서를 이용하여 검출기를 구성하되, 각각의 방사선 감지센서는 서로 다른 두께 혹은 다른 물질로 구성된 금속필터에 의해 차폐되도록 구성된 - 상기 다수개의 방사선 감지센서 중 1개의 방사선 감지센서에는 아무런 차폐체가 없이 설치될 수도 있음 - 방사선 감지부와, 상기 방사선 감지부를 구성하는 다수개의 방사선 감지센서에서 각각 검출되는 방사선량을 비교·평가함으로써 입사되는 방사선의 에너지 레벨에 대한 정보를 판독하는 마이크로 프로세서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출기를 제공한다.

또한 본 발명은, 서로 다른 두께 혹은 다른 물질로 이루어진 금속필터에 의해 각각 차폐되도록 구성된 다수개의 방사선 감지센서를 포함하여 구성된 방사선 검출기를 이용하여, 상기 다수개의 방사선 감지센서에서 각각 검출되는 방사선량을 비교·평가함으로써, 입사되는 방사선의 방사선량을 측정함과 동시에 입사되는 방사선의 에너지 레벨에 대한 정보를 판독할 수 있는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 방사선 검출기를 이용하면, 방사선량을 측정하는 동시에, GM튜브와 포토다이오드에 기반한 종래의 검출기로는 얻을 수 없는 방사선의 에너지 정보를 판독할 수 있으며, 구조가 간단해서 취급이 용이하고, 제작비용도 기존의 방사선 검출기에 비해 상대적으로 매우 저렴하다. 또한, 방사성물질로부터 방출되는 방사선정보를 검출함에 따라 수상한 방사성물질 운반행위를 사전에 탐지하여 방사성테러를 예방할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 방사선 검출기는 그 용도와 목적에 따라 동일한 구성의 다수개의 방사선 감지센서를 사용하여 검출기를 구성할 수 있으며, 본 실시예에서는 4개의 방사선 감지센서를 사용하여 구성된 검출기를 예로써 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 방사선 검출기는 4개의 방사선 감지센서로 구성된 방사선 감지부와, 마이크로 프로세서 및 상기 마이크로 프로세서를 통하여 얻은 결과를 사용자가 알 수 있도록 디스플레이하는 LCD표시창으로 구성된다.

먼저 방사선 감지부의 방사선 감지센서는 GM튜브 혹은 포토다이오드 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 방사선 감지센서는 각각 다른 종류 또는 서로 다른 두께의 금속필터로 차폐되어 구성된다. 상기 금속필터는 알루미늄(Al), 주석(Sn), 구리(Cu) 및 납(Pb) 등이 이용될 수 있으며, 금속필터의 종류와 두께는 구분하고자 하는 에너지 레벨에 따라 달라질 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 4개의 방사선 감지센서를 이용하여 구성된 방사선 감지부의 구성을 보여주고 있는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 포토다이오드로 구성된 4개의 방사선 감지센서(210) 중, 첫번째 감지센서는 아무런 차폐체를 부가하지 않았고, 나머지 3개의 감지센서는 납과 구리를 이용하여 각각 구리 5mm, 납 5mm, 납 30mm의 금속필터(220)로 차폐하였다.

이와 같이, 서로 다른 차폐체로 차폐되었거나 또는 차폐체가 전혀 부가되지 않은 4개의 방사선 감지센서(210)에 특정 에너지를 가진 방사선이 조사될 경우, 상기 4개의 방사선 감지센서(210)는 서로 다른 차폐체에 의해 각각 다른 검출효율을 보여준다. 도 3은 도 2와 같이 구성된 방사선 감지센서의 방사선 에너지에 따른 검출효율을 나타낸 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 서로 다른 차폐체를 사용한 방사선 감지센서의 검출효율(A1, A2, A3, A4)은 방사선 감지센서에 차폐된 금속필터와 에너지 구간에 따라서 큰 차이를 보임을 알 수 있다. 이를 에너지 레벨에 따라 적당한 구간으로 나누어 보면, 각 구간별로 서로 다른 차폐체를 사용한 방사선 감지센서의 검출효율간의 상관관계를 파악할 수 있게 된다. 다시 말해서, 각기 다른 차폐체가 부가된 네개의 방사선 감지센서에서 각각 검출된 방사선량의 비를 적절히 이용하면 검출기에 입사된 방사선의 에너지 레벨이 어느 정도의 범위에 속하는지를 파악할 수 있게 된다.

즉, 아무런 차폐제를 부가하지 않은 감지센서와 각각 구리 5mm, 납 5mm, 납 30mm의 금속필터로 차폐된 3개의 감지센서에 특정 에너지를 가진 방사선이 조사될 경우, 각각의 차폐체와 에너지 구간에 따라 방사선 감지센서의 검출효율은 도 3과 같이 나타나며, 이를 바탕으로 입사되는 방사선의 에너지 레벨을 몇 개의 적절한 구간으로 나누어, 각 구간내에서의 각 감지센서의 검출효율(A1, A2, A3, A4)간의 상관관계를 도출할 수 있다. 이와 같은 관계식의 도출과정은 후술하는 도 4를 통한 설명에서 보다 자세하게 설명하기로 한다.

이와 같은 방법을 통하여 도출된 상관관계식은 검출기에 내장된 마이크로 프로세서에 저장되며, 마이크로 프로세서에서는 상술한 4개의 방사선 감지센서에서 각각 측정된 방사선량을 미리 저장된 상관관계식에 따라 비교·평가함으로써 입사된 방사선의 에너지 레벨을 파악하고, 그 결과를 구비된 LCD표시창을 통해 디스플레이하게 된다.

본 발명에 따른 방사선 검출기에 있어서, 상기 마이크로 프로세서나 LCD표시창은 방사선 검출기에 내장되도록 구성하는 것이 바람직하기는 하나, 신호 연결선 등을 이용하여 검출기 외부에 별도로 구성하여 사용될 수도 있음은 물론이다.

도 4는 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따라 4개의 감지센서에서 각각 측정된 반응도(A1, A2, A3, A4; 도 3에서의 검출효율과 같은 개념임)에 따라 입사된 방 사선의 에너지 레벨을 판독하는 알고리즘을 정리하여 보여주고 있다. 본 실시예에서는 포토다이오드로 구성된 4개의 방사선 감지센서를 사용하였으며, 상술한 바와 같이 첫번째 감지센서는 아무런 차폐체를 부가하지 않았고, 나머지 3개의 감지센서엔 납과 구리를 이용하여 각각 구리 5mm, 납 5mm, 납 30mm의 금속필터를 차폐하여 방사선을 조사하였다.

도 4에 도시된 알고리즘에서는, 상기 도 3에 나타난 입사방사선의 에너지와 검출효율과의 상관관계를 이용하여, 입사되는 방사선 에너지를 0~0.2MeV, 0.2~0.6MeV, 0.6~1.0MeV, 그리고 1.0Mev이상으로 나눌 수 있도록 구성하고 있다. 입사되는 방사선의 에너지를 상술한 바와 같은 4가지 레벨로 나눈 이유는 입사되는 방사성물질이 자연상태에 존재하는 물질(Nationally Occurring Radioactive Material; NORM)인지 혹은 방사성 테러에 이용가능한 물질인지를 용이하게 판별하기 위해서이다. 이와 같은 에너지 분석 알고리즘에 의하면 NORM으로부터 HEU(고농축 우라늄), LEU(leucine, 류신), Ir-192(Iridium-192), Cs(Cesium)등을 구별할 수 있으므로 의심스러운 방사성 물질을 효과적으로 검색할 수 있게 된다.

먼저, 필터가 없는 첫번째 감지센서에서 얻은 반응도(A1)를 구리 5mm를 덮은 두번째 감지센서에서 얻은 반응도(A2)로 나누어 나온 값이 2보다 크고, 첫번째 감지센서에서 얻은 반응도(A1)를 납 5mm를 덮은 세번째 감지센서에서 얻은 반응도(A3)로 나누어 나온 값이 601.0보다 작거나 같을 경우 입사되는 방사선 에너지는 도 3의 제 1구간(Ⅰ)에 해당하며, 이로써 입사되는 방사선 에너지는 0~0.2MeV 사이 의 구간에 속한다는 것을 알 수 있다. 이 구간에 속하는 에너지의 방사선을 방출하는 대표적 물질로는 LEU, HEU, Co-57(Cobalt-57)등이 이에 해당한다.

다음으로, 첫번째 감지센서에서 얻은 반응도(A1)를 세번째 감지센서에서 얻은 반응도(A3)로 나누어 나온 값이 28.0보다 크고, 601.0보다 작으며, 두번째 감지센서에서 얻은 반응도(A2)를 세번째 감지센서에서 얻은 반응도(A3)로 나누어 나온 값이 1.6보다 작거나 같으며, 두번째 감지센서에서 얻은 반응도(A2)를 납 20mm를 덮은 네번째 감지센서에서 얻은 반응도(A4)로 나누어 나온 값이 80.4보다 작거나 같을 경우 입사되는 방사선 에너지는 도 3의 제 2구간(Ⅱ)에 해당하며, 이로써 입사되는 방사선 에너지는 0.2~0.6MeV 사이의 구간에 속한다는 것을 알 수 있다. 이 구간에 속하는 에너지의 방사선을 방출하는 대표적 물질로는 Ir-192, Ba-133(Barium-133) 등이 이에 해당한다.

또한, 두번째 감지센서에서 얻은 반응도(A2)를 세번째 감지센서에서 얻은 반응도(A3)로 나누어 나온 값이 1.6보다 작고, 두번째 감지센서에서 얻은 반응도(A1)를 네번째 감지센서에서 얻은 반응도(A4)로 나누어 나온 값이 14.0보다 크고 80.4보다 작을 경우 입사되는 방사선 에너지는 도 3의 제 3구간(Ⅲ)에 해당하며, 이로써 입사되는 방사선 에너지는 0.6~1.0MeV 사이의 구간에 속한다는 것을 알 수 있다. 이 구간에 속하는 에너지의 방사선을 방출하는 대표적 물질로는 Cs-137(Cesium-137)등이 이에 해당한다.

마지막으로, 첫번째 감지센서에서 얻은 반응도(A1)를 두번째 감지센서에서 얻은 반응도(A2)로 나누어 나온 값이 1.7보다 작고, 첫번째 감지센서에서 얻은 반 응도(A1)를 세번째 감지센서에서 얻은 반응도(A3)로 나누어 나온 값이 1.9보다 작고, 두번째 감지센서에서 얻은 반응도(A2)를 네번째 감지센서에서 얻은 반응도(A4)로 나누어 나온 값이 14.0보다 작을 경우 입사되는 방사선 에너지는 도 4의 제 4구간(Ⅳ)에 해당하며, 이로써 입사되는 방사선의 에너지는 1.0MeV이상의 구간에 속한다는 것을 알 수 있다. 이 구간에 속하는 에너지의 방사선을 방출하는 대표적 물질로는 NORM, Co-60(Cobalt-60), K-40(칼륨-40) 등이 이에 해당한다.

본 실시예에서는 4개의 방사선 감지센서를 사용하여 하나의 감지센서엔 아무런 차폐체를 부가하지 않고, 나머지 3개의 감지센서엔 납과 구리를 이용하여 각각 구리 5mm, 납 5mm, 납 30mm의 금속필터를 차폐하여 구성하였으나, 구분하고자 하는 에너지 레벨에 따라 방사선 감지센서의 갯수 및 이에 부가되는 차폐체의 두께 및 종류를 다양하게 결합하여 적용할 수 있음은 자명할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

본 발명에 따른 방사선 검출기를 이동형 차량에 장착하면, 이동하면서 수상한 방사성물질이 주변환경에 존재하는 물질인지 혹은 방사성테러와 같이 불법적인 목적을 위해 운반하는 위험한 방사성물질인지 구분이 가능하다. 본 발명의 장치는 범용적이고 방사선 감지에 대한 제한만 없으면 모든 방사성물질 검출장치에 이용할 수 있다.

도 1은 종래의 방사선량을 측정하는 장비의 방사선 감지센서의 방사선이 조사되는 부분에 필터물질을 위치시킨 예를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 4개의 방사선 감지센서를 이용하여 구성된 방사선 감지부의 구성을 보여주고 있는 도면이다.

도 3은 도 2와 같이 구성된 방사선 감지센서의 방사선 에너지에 따른 검출효율을 나타낸 그래프이다.

도 4는 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따라 입사된 방사선의 에너지 레벨을 판독하는 알고리즘이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

110, 210 : 방사선 감지센서 120, 220 : 금속필터

200 : 방사선 감지부

Claims (9)

1. 방사선 검출기에 있어서,

   동일한 구성의 다수개의 방사선 감지센서를 이용하여 검출기를 구성하되, 각각의 방사선 감지센서는 서로 다른 두께 혹은 다른 물질로 구성된 금속필터에 의해 차폐되도록 구성된 - 상기 다수개의 방사선 감지센서 중 1개의 방사선 감지센서에는 아무런 차폐체가 없이 설치될 수도 있음 - 방사선 감지부와;

   상기 방사선 감지부를 구성하는 다수개의 방사선 감지센서에서 각각 검출되는 방사선량을 비교·평가함으로써 입사되는 방사선의 에너지 레벨에 대한 정보를 판독하는 마이크로 프로세서;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 방사선 감지센서는,

   GM튜브 또는 포토다이오드로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 금속필터는,

   알루미늄(Al), 주석(Sn), 구리(Cu) 또는 납(Pb) 중 어느 하나를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 다수개의 방사선 감지센서는,

   4개로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출기.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 4개의 방사선 감지센서는,

   하나의 감지센서는 차폐체가 부가되지 않도록 구성하고, 나머지 3개의 감지센서는 각각 구리 5mm, 납 5mm, 납 30mm의 금속필터로 차폐되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출기.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 마이크로 프로세서는,

   상기 다수개의 방사선 감지센서에서 각각 측정된 방사선량의 비를 이용하여 입사되는 방사선의 에너지 레벨을 판독하는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출기.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 마이크로 프로세서에서 판독된 정보를 디스플레이하는 LCD표시창을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출기.
8. 서로 다른 두께 혹은 다른 물질로 이루어진 금속필터에 의해 각각 차폐되도록 구성된 다수개의 방사선 감지센서를 포함하여 구성된 방사선 검출기를 이용하여,

   상기 다수개의 방사선 감지센서에서 각각 검출되는 방사선량을 비교·평가함으로써, 입사되는 방사선의 방사선량을 측정함과 동시에 입사되는 방사선의 에너지 레벨에 대한 정보를 판독할 수 있는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출 방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 다수개의 방사선 감지센서에서 각각 검출되는 방사선량을 비교·평가하는 방법은,

   상기 다수개의 방사선 감지센서에서 측정된 방사선량의 비를 이용하여, 입사되는 방사선의 에너지 레벨을 판독하는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨의 측정이 가능한 방사선 검출 방법.

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