KR20100115326A - 감마선 검출기에서 감마선 반응 깊이 결정 방법 및 장치 - Google Patents

감마선 검출기에서 감마선 반응 깊이 결정 방법 및 장치 Download PDF

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KR20100115326A
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정효순
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이춘식
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    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
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Abstract

감마선 반응 깊이 결정 방법이 제공된다. 상기 방법은 에너지가 E인 보정용 감마선을 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호가 특정 수준까지 상승하는데 걸리는 시간인 제1 오름 시간을 측정하고, 상기 제1 오름 시간에서 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제1 반응 깊이를 측정하고, 상기 제1 오름 시간 및 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응하는 감마선수의 제1 관계, 상기 제1 반응 깊이 및 상기 반응하는 감마선수의 제2 관계를 기반으로 상기 제1 오름 시간 및 상기 제1 반응 깊이의 상관관계를 획득하고, 미지의 감마선을 상기 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호의 제2 오름시간을 측정하고 및 상기 상관관계 및 상기 제2 오름 시간을 기반으로 상기 미지의 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제1 반응 깊이를 결정하는 것을 포함한다.

Description

감마선 검출기에서 감마선 반응 깊이 결정 방법 및 장치{A METHOD AND A DEVICE FOR DETERMINATION OF GAMMA-RAY INTERACTION DEPTH ON A GAMMA-RAY DETECTOR}
본 발명은 감마선 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감마선 검출기에서 감마선 반응 깊이를 결정하는 방법에 관한 것이다.
감마선 검출기는 정확한 분광학적 측정을 요구하는 다양한 분야에서 사용되고 있다. 즉, 보안, 의학, 우주, 천문학 등 여러 분야에서 사용된다. 여기서, 감마선 검출기 내 감마선의 반응 위치를 결정하는 것이 중요하다. 감마선 반응 위치를 이용하여 감마선 입사 위치에 대한 추적이 가능하고, 감마선 검출기 내 다중 산란의 추적을 통하여 산란 후 감마선 검출기를 빠져나가는 감마선의 에너지에 대한 정보도 획득할 수 있기 때문이다. 이에 따라, 감마선 검출 효율이 향상되고 감마선원의 분포에 대한 영상화가 가능해진다.
감마선은 감마선 검출기와 반응하여 전기적 신호를 만든다. 예를 들어, 감마선 검출기가 섬광검출기인 경우에는 빛을 발생시키는데, 상기 빛을 광증배관에서 전기적 신호로 변환시킨다. 또한, 감마선 검출기가 반도체 검출기인 경우에는 감마선의 반응에 의하여 전자와 정공 쌍을 만들고, 감마선 검출기의 전극 사이에 존재하는 전기장을 따라 전자와 정공 쌍은 양극 및 음극으로 흐른다. 상기 전자와 정공 쌍의 흐름은 전극에 유도 전류를 유발한다. 전기적 신호의 크기는 흡수된 감마선의 에너지에 비례한다. 상기 신호를 이용하여 감마선 검출기에 감마선이 반응하는 깊이를 측정하고, 더 나아가 분광학적 측정을 할 수 있다.
종래 감마선 검출기에 감마선이 반응하는 깊이를 측정하는 방법으로는 집속기를 이용하는 방법과 감마선 검출기를 어레이형으로 배열하여 감마선과 반응하는 감마선 검출기의 위치로부터 감마선 반응 깊이를 결정하는 방법이 있다.
또한, "Technique For Obtaining Sub-pixel Spatial Resolution And Corrected Energy Determination From Room Temperature Solid State Gamma And X-ray Detectors With Segmented Readout" US Patent, 6002741, 1999.12.14에는 반도체 검출기의 각 전극에 유도되는 신호의 크기를 이용하여 감마선 반응 깊이를 결정하는 방법이 개시된다. 또한, "Device And Method For The Measurement Of Depth Of Interaction Using Co-planar Electrodes", US Patent, 7271395, 2007.09.18에는 동일 평면(Co-planar) 타입의 전극을 이용하여 주전극과 부전극에서 유도되는 신호 크기의 차이를 이용하여 감마선 반응 깊이를 결정하는 방법이 개시된다.
그러나, 상기 방법은 카드뮴아연텔루라이드(CdZnTe, CZT) 검출기와 같은 특정 검출기에 적용될 수 있는 방법이다. 따라서, 감마선 검출기의 검출 소자가 달라질 경우에는 상기 종래 방법을 그대로 적용하는 것이 어려운 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 감마선 검출기의 종류에 관계없이 감마선의 반응 깊이를 결정하는 방법을 제공하는 것이다.
일 양태에 있어서 감마선 반응 깊이 결정 방법이 제공된다. 상기 방법은 에너지가 E인 보정용 감마선을 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호가 특정 수준까지 상승하는데 걸리는 시간인 제1 오름 시간을 측정하고, 상기 제1 오름 시간에서 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제1 반응 깊이를 측정하고, 상기 제1 오름 시간 및 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응하는 감마선수의 제1 관계, 상기 제1 반응 깊이 및 상기 반응하는 감마선수의 제2 관계를 기반으로 상기 제1 오름 시간 및 상기 제1 반응 깊이의 상관관계를 획득하고, 미지의 감마선을 상기 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호의 제2 오름시간을 측정하고 및 상기 상관관계 및 상기 제2 오름 시간을 기반으로 상기 미지의 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제1 반응 깊이를 결정하는 것을 포함한다.
상기 제1 관계는 이하의 수학식인 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 상기 반응한 감마선수,
Figure pat00003
는 상기 제1 오름시간에 대한 반응 감마선수를 나타내는 감마선 반응 밀도 함수,
Figure pat00004
은 상기 제1 오름 시간의 시작시점,
Figure pat00005
는 상기 제1 오름 시간의 종료시점이다.
상기 상관관계는 이하의 수학식일 수 있다.
Figure pat00006
단,
Figure pat00007
는 상기 감마선 검출기의 감마선 입사 방향으로의 두께,
Figure pat00008
는 반응 종료 시점,
Figure pat00009
은 상기
Figure pat00010
에서의 반응 깊이,
Figure pat00011
는 상기
Figure pat00012
에서의 반응 깊이이다.
상기 제2 반응 깊이를 결정하는 것은, 상기 상관관계로부터 상기 제2 오름 시간에 해당되는 제2 반응깊이를 구하는 것일 수 있다.
다른 양태에 있어서 감마선 반응 깊이 결정 장치가 제공된다. 상기 장치는 에너지가 E인 보정용 감마선을 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호가 특정 수준까지 상승하는데 걸리는 시간인 제1 오름 시간을 측정하는 제1 파형 측정기, 상기 신호의 에너지를 측정하여 상기 제1 오름 시간에서 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제1 반응 깊이를 측정하는 에너지 측정기, 상기 제1 오름 시간 및 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응하는 감마선수의 제1 관계, 상기 제1 반응 깊이 및 상기 반응하는 감마선수의 제2 관계를 기반으로 상기 제1 오름 시간 및 상기 제1 반응 깊이의 상관관계를 획득하는 상관관계 도출기 및 미지의 감마선을 상기 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호의 제2 오름시간을 측정하는 제2 파형 측정기 및 상기 상관관계 및 상기 제2 오름 시간을 기반으로 상기 미지의 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제2 반응 깊이를 결정하는 감마선 반응 깊이 결정기를 포함한다.
상기 제1 관계는 이하의 수학식인 것을 특징으로 한다.
Figure pat00013
여기서,
Figure pat00014
는 상기 반응한 감마선수,
Figure pat00015
는 상기 제1 오름시간에 대한 반응 감마선수를 나타내는 감마선 반응 밀도 함수,
Figure pat00016
은 상기 제1 오름 시간의 시작시점,
Figure pat00017
는 상기 제1 오름 시간의 종료시점이다.
상기 상관관계는 이하의 수학식일 수 있다.
Figure pat00018
단,
Figure pat00019
은 상기 제1 오름 시간의 시작시점,
Figure pat00020
는 상기 제1 오름 시간의 종료시점, μ(E)는 상기 흡수 계수,
Figure pat00021
는 상기 감마선 검출기의 감마선 입사 방향으로의 두께,
Figure pat00022
는 반응 종료 시점,
Figure pat00023
은 상기
Figure pat00024
에서의 반응 깊이,
Figure pat00025
는 상기
Figure pat00026
에서의 반응 깊이이다.
상기 제2 반응 깊이를 결정하는 것은 상기 상관관계로부터 상기 제2 오름 시간에 해당되는 제2 반응 깊이를 구하는 것일 수 있다.
다른 양태에 있어서 의료용 영상장치가 제공된다. 상기 의료용 영상장치는 감마선 검출기 및 본 발명의 일 양태에 따른 감마선 반응 깊이 결정 장치를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이를 결정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이 결정 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 파형인 오름 시간(Δt)을 정의하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오름시간 측정기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이 결정 방법을 컴퓨터 시뮬레이션하기 위하여 사용한 감마선 검출기이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이 결정 방법을 컴퓨터 시뮬레이션하기 위하여 356keV 감마선을 도 5의 감마선 검출기에 입사시켜 얻은 신호 파형 분포이다.
도 7은 도 6의 신호 파형 분포를 이용하여 도출한 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 276keV 감마선에 대한 감마선 반응 깊이와 감마선 반응 개수를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이 결정 방법을 실험하기 위하여 사용한 감마선 검출기이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이 결정 방법에 따라 도출된 신호 파형 분포를 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 10의 신호 파형 분포를 이용하여 도출한 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 12는 133Ba 감마선원에서 방출되는 81keV의 감마선에 대한 감마선 반응 깊이와 감마선 반응 개수를 나타내는 그래프이다.
도 13은 22Na 감마선원에서 방출되는 511keV 감마선에 대한 감마선 반응 깊이와 감마선 반응 개수를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 설명할 본 발명의 바람직한 실시예에서는 내용의 명료성을 위하여 특정한 기술 용어를 사용한다. 하지만 본 발명은 그 선택된 특정 용어에 한정되지는 않으며, 각각의 특정 용어가 유사한 목적을 달성하기 위하여 유사한 방식으로 동작하는 모든 기술 동의어를 포함함을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이를 결정하는 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 신호의 파형과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 도출한다(S100). 여기서, 신호란 감마선이 감마선 검출기와 반응한 후 발생하는 신호를 의미하고, 신호의 파형이란 감마선의 반응 깊이에 의존하는 물리량이다. 예를 들어, 감마선 검출기가 반도체 검출기인 경우, 감마선이 감마선 검출기와 반응하여 발생하는 신호는 전류일 수 있다. 전류 신호는 적분회로를 통과하면 전압 신호로 바뀌고, 상기 전압 신호의 전체 크기가 일정 크기에 도달하는데 걸리는 시간인 오름 시간을 신호의 파형으로 할 수 있다. 구체적으로, 상기 오름 시간은 전압 신호의 전체 크기가 10% 내지 90%에 도달하는데 걸리는 시간일 수 있다. 그러나, 신호의 파형은 이에 한정되지 않고, 감마선 반응 깊이에 의존하는 모든 물리량일 수 있다.
에너지가 알려진 감마선이 감마선 검출기에 입사하게 되면 신호가 발생하고, 상기 신호의 파형 및 에너지를 측정하여 신호의 파형과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 도출한다.
다음으로, 미지의 감마선이 감마선 검출기에 입사할 때 발생하는 신호의 파형을 정의한다(S110). 여기서, 미지의 감마선이란 감마선 검출기에 반응하는 깊이를 알고자 하는 에너지를 알지 못하는 감마선이다. 단계 S100과 같이, 신호의 파형을 정의한다.
다음으로, 상기 미지의 감마선의 반응 깊이를 결정한다(S120). 단계 S100에서 도출된 신호의 파형과 감마선 반응 깊이의 상관관계 및 단계 S110에서 정의된 미지의 감마선이 감마선 검출기에 입사할 때 발생하는 신호의 파형을 이용하여 미지의 감마선의 반응 깊이를 결정한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이 결정 장치를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 감마선 반응 깊이 결정 장치(100)는 보정부(110) 및 결정부(120)를 포함하고, 보정부(110)는 파형 측정기(111), 에너지 측정기(112) 및 상관관계 도출기(113)을 포함하며, 결정부(120)는 파형 측정기(121) 및 반응깊이 결정기(122)를 포함한다.
먼저, 에너지가 알려진 보정용 감마선이 감마선 검출기와 반응하여 발생하는 신호는 보정부(110)의 파형 측정기(111) 및 에너지 측정기(112)로 입력된다. 여기서, 파형 측정기(111)는 신호의 파형을 측정하고, 에너지 측정기(112)는 신호의 크기를 측정한다. 일반적으로, 감마선과 감마선 검출기가 반응하여 발생한 신호의 크기는 상기 감마선이 반응에 의하여 잃은 에너지에 비례한다. 따라서, 감마선이 감마선 검출기와 반응하여 자신의 에너지를 모두 잃어버리는 경우, 신호의 크기는 감마선이 입사할 때의 에너지에 대응한다. 또한, 신호의 파형은 감마선이 감마선 검출기와 반응하는 깊이 또는 반응에 의하여 잃은 에너지에 따라 달라진다. 따라서, 파형 측정기(111)와 에너지 측정기(112)를 이용하여 신호의 파형과 신호의 크기를 동시에 측정하여, 반응에 의하여 잃은 에너지가 파형에 미치는 영향을 제거해야 파형과 반응 깊이의 정확한 상관관계를 얻을 수 있다.
상관관계 도출부(113)는 상기 파형 측정기(111) 및 상기 에너지 측정기(112)에 의하여 얻어진 파형 분포를 이용하여 파형과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 도출한다. 이하, 파형과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 도출하는 과정의 일 예를 설명한다.
하기 수학식 1은 감마선이 감마선 검출기에 입사되었을 때 감마선 검출기에서 감마선 입사 방향으로 감마선이 반응하는 깊이 Z에 따라 감마선 검출기와 반응한 감마선의 개수를 나타낸다.
Figure pat00027
여기서, μ(E)는 에너지가 E인 감마선이 감마선 검출기와 입사 경로에 따라 반응할 확률을 나타내는 감마선 흡수 계수로, 감마선 검출기의 종류와 감마선의 에너지에 따라 다르고, N0는 입사된 감마선의 총 개수를 나타낸다.
하기 수학식 2는 검출기의 입사 방향 깊이인 Z2와 Z1 사이에 반응한 감마선의 개수를 나타내는 값이다.
Figure pat00028
하기 수학식 3은 신호 파형으로 정의된 오름 시간인 t와 t1 사이에 존재하는 감마선 검출기와 반응하는 감마선의 개수를 나타내는 값이다.
Figure pat00029
여기서, n(t)는 오름 시간이 t인 감마선 반응 밀도를 나타낸다.
상기 수학식 2는 에너지에 따른 감마선 흡수 계수를 매개 변수로 하고, 감마선 반응 깊이와 감마선 검출기에 반응한 감마선의 개수, 즉 감마선의 에너지와의 상관관계를 나타내는 수학식이다. 또한, 상기 수학식 3은 신호 파형의 특성인 오름 시간과 감마선 검출기에 반응한 감마선의 개수, 즉, 감마선의 에너지와의 상관관계를 나타내는 수학식이다. 따라서, 수학식 2와 수학식 3을 조합하여 하기 수학식 4와 같은 신호 파형의 특성인 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 도출할 수 있다.
하기 수학식 4는 오름 시간과 감마선 반응 깊이 간의 상관관계를 나타내는 식으로, 상기 수학식 2에 상기 수학식 3을 대입하여 얻어진 결과이다.
Figure pat00030
여기서, Zmax는 검출기의 감마선 입사 방향으로의 두께를 나타내고,
Figure pat00031
는 반응한 감마선의 총 수를 나타낸다.
다음으로, 결정부(120)는 미지의 감마선의 반응 깊이를 결정한다. 먼저, 파형 측정기(121)는 미지의 감마선이 감마선 검출기와 반응하여 나온 신호의 파형을 측정한다. 여기서, 신호의 파형은 보정부(110)의 파형 측정기(111)에서 측정한 것과 마찬가지로, 전압 신호의 크기가 일정 수준에 도달하는데 걸리는 오름 시간일 수 있다. 또한, 도 2에서 결정부(120)의 파형 측정기(121)는 보정부(110)의 파형 측정기(111)과 별개의 장치로 나타내고 있으나, 이는 예시에 지나지 않고, 하나의 장치일 수도 있다.
결정부(120)의 반응 깊이 결정기(122)는 파형 측정기(121)로부터 수신한 신호의 파형(X1)을 상관관계 도출기(113)로부터 얻은 신호의 파형과 감마선 반응 깊이의 상관관계(D=f(X))에 대입하여 미지의 감마선의 반응 깊이(D1)을 결정한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 파형인 오름 시간(Δt)을 정의하는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오름시간 측정기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하면, 신호의 전체 크기의 10%에서 90%에 도달하는데 걸리는 시간을 오름 시간이라 정의한다. 그러나, 상기 10%에서 90%라는 수치는 예시에 지나지 않고, 다양하게 변형될 수 있다.
도 4를 참고하면, 오름 시간 측정기(300)는 적분회로(310), 증폭기(320), 비교기(330), 시간-파고 변환기(340) 및 파고 기록기(350)를 포함한다.
도 4에서, 감마선이 감마선 검출기(200)에 입사하면 전자-정공의 흐름에 의하여 전류 신호가 발생한다. 전류 신호는 적분회로(310)을 통과하여 전압 신호로 변환되고, 상기 전압 신호는 1배, 10배 및 9배 증폭기(320)에 의하여 증폭된다. 10배 증폭기에는 지연기가 연결되어 있다. 1배 증폭된 신호와 10배 증폭된 신호, 10배 증폭된 신호와 9배 증폭된 신호가 비교기(330)에 의하여 비교된다. 1배 증폭된 신호와 10배 증폭된 신호의 비교기에서 출력된 신호는 전압 신호의 전체 크기의 10%가 되는 지점을 의미하고, 10배 증폭된 신호와 9배 증폭된 신호의 비교기에서 출력된 신호는 전압 신호의 전체 크기의 90%가 되는 지점을 의미한다. 여기서, 상기 1배 증폭된 신호와 10배 증폭된 신호의 비교기에서 출력된 신호는 시작점이 되고, 지연기가 연결되어 있는 상기 10배 증폭된 신호와 9배 증폭된 신호의 비교기에서 출력된 신호는 멈춤점이 되어 시간-파고 변환기(340)에 기록된다. 시간-파고 변환기(340)는 시작점을 나타내는 신호가 도달한 시간과 멈춤점을 나타내는 신호가 도달한 시간 차이를 파고로 변환한다. 시간-파고 변환기(340)에 의하여 출력된 신호는 파고 기록기(350)에 기록된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이 결정 방법을 GEANT4 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 시뮬레이션하는 과정을 설명한다. 여기서, 에너지에 대한 정보는 보편적인 감마선 분광 기술을 이용하여 획득하였고, 신호 파형은 각 감마선 이벤트에 대하여 컴퓨터 프로그램으로 구현한 도 4의 오름시간 측정기를 이용하여 획득하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이 결정 방법을 컴퓨터 시뮬레이션하기 위하여 사용한 감마선 검출기이다.
도 5를 참고하면, 상기 감마선 검출기는 5×5cm2의 면적과 2cm의 두께를 가지고, 25개의 전극으로 분할되어 있는 게르마늄 검출기이다. 상기 감마선 검출기의 전면은 25개의 분할된 음의 전극(Cathode)으로 이루어지고, 뒷면은 하나의 양의 전극(Anode)으로 이루어져 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이 결정 방법을 컴퓨터 시뮬레이션하기 위하여 356keV 감마선을 도 5의 감마선 검출기에 입사시켜 얻은 신호 파형 분포이다.
도 6을 참조하면, 좌측 그래프는 도 5의 감마선 검출기 전면의 25개의 분할된 음의 전극(Cathode)과 후면의 하나의 양의 전극(Anode)에서 측정된 신호 파형인 오름 시간(Rise Time)을 이차원으로 나타낸 것으로, 세로축은 양의 전극의 오름 시간이고, 가로축은 음의 전극의 오름 시간을 나타낸다. 또한, 우측 그래프는 상기 좌측 그래프를 세로축 또는 가로축에 투영하여 그린 그래프로, 세로축은 감마선 검출기와 반응한 감마선의 수(counts)이고, 가로축은 오름 시간이다.
도 7은 도 6의 신호 파형 분포를 이용하여 도출한 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참고하면, 세로축은 오름 시간이고, 가로축은 감마선의 반응 깊이이다. 먼저, 상기 수학식 1에 게르마늄 검출기에 대한 356keV 감마선의 감마선 흡수 계수 μ(356keV)=0.52를 대입하여 얻은 감마선 반응 깊이에 따른 감마선 반응 개수의 분포 함수와 도 6과 같은 각 신호 파형에 대한 감마선 반응 개수를 나타내는 분포 함수를 이용하여 도 7과 같은 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 도출한다.
도 8은 276keV 감마선에 대한 감마선 반응 깊이와 감마선 반응 개수를 나타내는 그래프이다. 도 8은 도 7에서 도시된 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계의 정확성을 검증하기 위한 것이다.
도 8에서, 가로축은 감마선 반응 깊이를 나타내고, 세로축은 감마선 반응 개수를 나타낸다. 먼저, 276keV 감마선을 전극분할형 게르마늄 검출기에 입사시켜 발생하는 신호를 이용하여 도 6과 같은 신호 파형 분포를 얻고, 상기 신호 파형 분포와 상기 도 7에서 도출한 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 이용하여 도 8과 같은 감마선 반응 깊이 분포를 도출한다.
276keV 감마선에 대한 게르마늄의 흡수계수를 이용하여 구한 반응 깊이 분포의 이론값과 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 얻은 감마선 반응 깊이 분포를 비교한 결과, 이론값과 실험값이 일치하는 것을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이를 결정하는 방법의 효과를 증명하기 위하여 원통형 게르마늄 검출기를 이용한 실험예를 설명한다. 여기서, 에너지에 대한 정보는 보편적인 감마선 분광 기술을 이용하여 획득하였고, 신호 파형은 각 감마선 이벤트에 대하여 컴퓨터 프로그램으로 구현한 도 4의 오름시간 측정기를 이용하여 획득하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이 결정 방법을 실험하기 위하여 사용한 감마선 검출기이다.
도 9를 참조하면, 실험에 사용된 감마선 검출기는 전극이 하나이고, 직경이 4cm이며, 높이가 3.7cm인 원통형 게르마늄 검출기이다. 먼저, 상기 원통형 게르마늄 검출기를 축 방향으로 세운 후, 감마선이 원통의 지름 방향으로 입사되도록 납 집속기로 감마선원을 집속한다. 따라서, 감마선의 입사 방향에 대한 감마선 검출기의 두께는 2cm가 된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 감마선 반응 깊이 결정 방법에 따라 도출된 신호 파형 분포를 나타낸 그래프이다.
도 10은 133Ba 감마선원에서 방출되는 356keV 감마선이 도 9의 감마선 검출기와 반응한 결과 발생한 신호의 신호 파형 분포를 도시한 그래프로, 가로축은 오름 시간을 나타내고, 세로축은 감마선 검출기에 반응한 감마선의 개수를 나타낸다.
도 11은 도 10의 신호 파형 분포를 이용하여 도출한 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
먼저, 상기 수학식 1에 게르마늄 검출기에 대한 356keV 감마선의 감마선 흡수 계수 μ(356keV)=0.52를 대입하여 얻은 감마선 반응 깊이에 따른 감마선 반응 개수의 분포 함수와 도 10과 같은 신호 파형에 따른 감마선 반응 개수의 분포 함수를 이용하여 도 11의 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 도출한다.
도 12는 133Ba 감마선원에서 방출되는 81keV의 감마선에 대한 감마선 반응 깊이와 감마선 반응 개수를 나타내는 그래프이다. 도 12는 도 11에서 도시된 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계의 정확성을 검증하기 위한 것이다.
먼저, 81keV 감마선을 원통형 게르마늄 검출기에 입사시켜 발생하는 신호를 이용하여 도 10과 같은 신호 파형 분포를 얻고, 상기 신호 파형 분포 및 상기 도 11에서 도출한 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 이용하여 도 12와 같은 감마선 반응 깊이 분포를 도출한다.
81keV 감마선에 대한 게르마늄의 흡수계수를 이용하여 구한 반응 깊이 분포의 이론값과 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 얻은 감마선 반응 깊이 분포를 비교한 결과, 이론값과 실험값이 일치하는 것을 알 수 있다.
도 13은 22Na 감마선원에서 방출되는 511keV 감마선에 대한 감마선 반응 깊이와 감마선 반응 개수를 나타내는 그래프이다. 도 13은 도 11에서 도시된 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계의 정확성을 검증하기 위한 것이다.
먼저, 511keV 감마선을 원통형 게르마늄 검출기에 입사시켜 발생하는 신호를 이용하여 도 10과 같은 신호 파형 분포를 얻고, 상기 신호 파형 분포 및 상기 도 11에서 도출한 오름 시간과 감마선 반응 깊이의 상관관계를 이용하여 도 13과 같은 감마선 반응 깊이 분포를 도출한다.
511keV 감마선에 대한 게르마늄의 흡수계수를 이용하여 구한 반응 깊이 분포의 이론값과 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 얻은 감마선 반응 깊이 분포를 비교한 결과, 이론값과 실험값이 일치하는 것을 알 수 있다.
본 발명은 감마선 계측 기술의 하나로서 기존의 에너지 계측에 국한되었던 감마선 계측 기술에 추가적으로 비교적 간단하게 감마선 반응 위치에 대한 정보를 제공하여 감마선 영상화기기의 단순화와 영상 성능의 향상에 기여할 수 있으며, 또한 감마선 계측 기술의 응용성 확장에 기여하는 바가 클 것으로 예상된다.
본 발명은 감마선 반응 위치가 중요한 변수로 작용하는 모든 계측 기술 분야에 활용될 수 있는데, 특히 감마선 영상 분야인 핵의학 영상 기술 분야와 산업용 비파괴 분야에 적극 활용될 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호 범위는 청구 범위에 기재된 사항에 의하여면 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호 범위에 속하게 될 것이다.

Claims (7)

  1. 에너지가 E인 보정용 감마선을 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호가 특정 수준까지 상승하는데 걸리는 시간인 제1 오름 시간을 측정하고;
    상기 제1 오름 시간에서 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제1 반응 깊이를 측정하고;
    상기 제1 오름 시간 및 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응하는 감마선수의 제1 관계, 상기 제1 반응 깊이 및 상기 반응하는 감마선수의 제2 관계를 기반으로 상기 제1 오름 시간 및 상기 제1 반응 깊이의 상관관계를 획득하고;
    미지의 감마선을 상기 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호의 제2 오름시간을 측정하고; 및,
    상기 상관관계 및 상기 제2 오름 시간을 기반으로 상기 미지의 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제2 반응 깊이를 결정하는 것;을 포함하되,
    상기 제1 관계는 이하의 수학식인 것을 특징으로 하는 감마선 반응 깊이 결정 방법.
    Figure pat00032

    여기서,
    Figure pat00033
    는 상기 반응한 감마선수,
    Figure pat00034
    는 상기 제1 오름시간에 대한 반응 감마선수를 나타내는 감마선 반응 밀도 함수,
    Figure pat00035
    은 상기 제1 오름 시간의 시작시점,
    Figure pat00036
    는 상기 제1 오름 시간의 종료시점이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상관관계는 이하의 수학식인 것을 특징으로 하는 감마선 반응 깊이 결정 방법.
    Figure pat00037

    단,
    Figure pat00038
    는 상기 감마선 검출기의 감마선 입사 방향으로의 두께,
    Figure pat00039
    는 반응 종료 시점,
    Figure pat00040
    은 상기
    Figure pat00041
    에서의 반응 깊이,
    Figure pat00042
    는 상기
    Figure pat00043
    에서의 반응 깊이이다.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 반응 깊이를 결정하는 것은,
    상기 상관관계로부터 상기 제2 오름 시간에 해당되는 제2 반응깊이를 구하는 것을 특징으로 하는 감마선 반응 깊이 결정 방법.
  4. 에너지가 E인 보정용 감마선을 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호가 특정 수준까지 상승하는데 걸리는 시간인 제1 오름 시간을 측정하는 제1 파형 측정기;
    상기 신호의 에너지를 측정하여 상기 제1 오름 시간에서 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제1 반응 깊이를 측정하는 에너지 측정기;
    상기 제1 오름 시간 및 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응하는 감마선수의 제1 관계, 상기 제1 반응 깊이 및 상기 반응하는 감마선수의 제2 관계를 기반으로 상기 제1 오름 시간 및 상기 제1 반응 깊이의 상관관계를 획득하는 상관관계 도출기;
    미지의 감마선을 상기 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호의 제2 오름시간을 측정하는 제2 파형 측정기; 및,
    상기 상관관계 및 상기 제2 오름 시간을 기반으로 상기 미지의 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제2 반응 깊이를 결정하는 감마선 반응 깊이 결정기;를 포함하되,
    상기 제1 관계는 이하의 수학식인 것을 특징으로 하는 감마선 반응 깊이 결정 장치.
    Figure pat00044

    여기서,
    Figure pat00045
    는 상기 반응한 감마선수,
    Figure pat00046
    는 상기 제1 오름시간에 대한 반응 감마선수를 나타내는 감마선 반응 밀도 함수,
    Figure pat00047
    은 상기 제1 오름 시간의 시작시점,
    Figure pat00048
    는 상기 제1 오름 시간의 종료시점이다.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 상관관계는 이하의 수학식인 것을 특징으로 하는 감마선 반응 깊이 결정 장치.
    Figure pat00049

    단,
    Figure pat00050
    은 상기 제1 오름 시간의 시작시점,
    Figure pat00051
    는 상기 제1 오름 시간의 종료시점, μ(E)는 상기 흡수 계수,
    Figure pat00052
    는 상기 감마선 검출기의 감마선 입사 방향으로의 두께,
    Figure pat00053
    는 반응 종료 시점,
    Figure pat00054
    은 상기
    Figure pat00055
    에서의 반응 깊이,
    Figure pat00056
    는 상기
    Figure pat00057
    에서의 반응 깊이이다.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제2 반응 깊이를 결정하는 것은,
    상기 상관관계로부터 상기 제2 오름 시간에 해당되는 제2 반응 깊이를 구하는 것을 특징으로 하는 감마선 반응 깊이 결정 장치.
  7. 감마선 검출기; 및
    감마선 반응 깊이 결정 장치를 포함하되, 상기 감마선 반응 깊이 결정 장치는,
    에너지가 E인 보정용 감마선을 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호가 특정 수준까지 상승하는데 걸리는 시간인 제1 오름 시간을 측정하는 제1 파형 측정기;
    상기 신호의 에너지를 측정하여 상기 제1 오름 시간에서 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제1 반응 깊이를 측정하는 에너지 측정기;
    상기 제1 오름 시간 및 상기 보정용 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응하는 감마선수의 제1 관계, 상기 제1 반응 깊이 및 상기 반응하는 감마선수의 제2 관계를 기반으로 상기 제1 오름 시간 및 상기 제1 반응 깊이의 상관관계를 획득하는 상관관계 도출기;
    미지의 감마선을 상기 감마선 검출기와 반응시켜 발생되는 신호의 제2 오름시간을 측정하는 제2 파형 측정기; 및,
    상기 상관관계 및 상기 제2 오름 시간을 기반으로 상기 미지의 감마선이 상기 감마선 검출기와 반응한 제2 반응 깊이를 결정하는 감마선 반응 깊이 결정기;를 포함하되,
    상기 제1 관계는 이하의 수학식인 것을 특징으로 하는 의료용 영상장치.
    Figure pat00058

    여기서,
    Figure pat00059
    는 상기 반응한 감마선수, 는 상기 제1 오름시간에 대한 반응 감마선수를 나타내는 감마선 반응 밀도 함수,
    Figure pat00061
    은 상기 제1 오름 시간의 시작시점,
    Figure pat00062
    는 상기 제1 오름 시간의 종료시점이다.
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