KR20110018995A - 광자 계수 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

광자 계수 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 양상에 따라, 광자는 다수의 계수기를 통해 계수된다. 각각의 계수기는 자신의 가용 상태를 나타내는 플래그 신호를 생성한다. 생성된 플래그 신호는 스위치 제어기로 입력된다. 스위치 제어기는 수신된 플래그 신호에 기초하여 데드 타임이 없는 계수기로 신호가 입력되도록 하는 것이 가능하다.
광자 계수(photon counting), 데드 타임(dead time), 파일-업(Pile-up), 플래그(flag)

Description

광자 계수 장치 및 방법{Apparatus and Method for photon counting}
광자 계수 검출기(photon counting detector)와 관련된다.
일반적으로, 광자 계수 검출기(photon counting detector)는 입사되는 빛의 single photon의 개수를 counting하는 검출기를 말한다. 광자 계수 검출기는 입사되는 빛에 포함된 광자를 검출하고 검출된 광자에 대응되는 펄스 신호를 출력하는 것이 가능하다. 광자의 개수는 이 펄스 신호의 개수에 대응될 수 있다.
광자의 개수를 카운팅하기 위해서는 펄스 신호를 처리하여야 한다. 그런데, 어떤 신호를 처리하기 위해서는 데드 타임(dead time)이 수반되는 것이 필연적이다. 데드 타임이란 어떤 시스템에 있어서 명령 후 작동하기까지의 부동 시간을 의미한다.
시스템의 데드 타임을 고려하면, 광자 계수 검출기가 제 1 광자에 대응되는 제 1 펄스 신호를 처리하는 도중에, 제 2 광자가 검출되어 제 2 펄스 신호가 발생되는 경우, 제 1 펄스 신호와 제 2 펄스 신호가 중복되는 Pile-up 현상이 발생할 수 있다.
이러한 Pile-up 현상은 정확한 광자의 개수를 카운팅을 방해한다. Pile-up 현상은 제 2 펄스 신호를 제파기(rejector)를 통해 약화시키는 방식을 통해 해소하는 것이 가능하다. 그러나 이러한 방식에 의하면, 데드 타임 동안에 검출되는 광자를 무시하는 결과를 초래하기 때문에 광자 계수에 응용하기에는 적합하지 않다.
본 명세서에서는, 시스템의 데드 타임과 상관 없이 광자를 계수할 수 있는 광자 계수 장치 및 방법이 개시된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 양상에 따른 광자 계수 장치는, 다수의 계수기를 포함하는 계수부, 광 신호에 대응되는 전기 신호를 다수의 계수기 중 어느 하나로 전달하는 스위치부, 및 계수부로부터 각각의 계수기의 가용 여부를 나타내는 플래그 신호를 수신하고, 수신된 플래그 신호에 기초하여 다수의 계수기 중 데드 타임이 없는 계수기로 전기 신호가 전달되도록 스위치부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양상에 따라, 각각의 계수기는, 전기 신호에 대응되는 전압 또는 전류와, 기준 전압 또는 기준 전류를 비교하여, 디지털 비교 값을 출력하는 변별기, 및 디지털 비교 값을 계수하는 디지털 계수기를 포함하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 양상에 따라, 플래그 신호는 변별기의 출력인 디지털 비교 값에 대응되는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 양상에 따라, 스위치부는 다수의 계수기 중 동작 중인 계수기로는 전기 신호를 전달하지 아니하고, 대기 중인 계수기로만 전기 신호를 전달하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 일 양상에 따른 광자 계수 방법은, 각각의 계수기의 가용 여부를 나타내는 플래그 신호에 기초하여 다수의 계수기 중 데드 타임이 없는 계수기를 적어도 하나 이상 선택하는 단계, 및 광 신호에 대응되는 전기 신호를 선택된 계수기로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
개시된 내용에 따르면, 연속적인 photon 및 고 에너지 photon 입사 시에 다수의 계수기 중 데드 타임이 없는 가용한 계수기 경로를 적응적으로 선택하기 때문에 Pulse Pile-up과 Loss Photon이 발생되지 아니한다. 따라서 High Count Rate를 가지는 High Sensitive Photon Counter Detector를 구현하는 것이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자 계수 장치의 구성을 도시한다.
도 1을 참조하면, 광자 계수 장치(100)는 센서부(101), 스위치부(102), 제어부(103), 계수부(104), 및 버퍼(105)를 포함한다.
센서부(101)는 광 신호를 수신하고, 수신된 광 신호에 대응되는 전기 신호를 출력한다. 예컨대, 센서부(101)는 광 신호에 포함된 광자(photon)를 검출하고, 검출된 광자에 대응되는 펄스(pulse) 전류를 생성하는 것이 가능하다. 이러한 센서부(101)로는 광에 반응하여 전류를 생성하는 포토 다이오드가 사용될 수 있다.
스위치부(102)는 센서부(101)로부터 출력된 전기 신호를 계수부(104)로 전달 한다. 계수부(104)는 다수의 계수기(104-1, 2, 3, 4)로 이루어지는데, 스위치부(102)는 제어부(103)의 제어 신호에 따라 다수의 계수기(104-1, 2, 3, 4) 중에서 데드 타임(dead time)이 없는 계수기로 전기 신호를 전달한다.
데드 타임이란 어떤 명령 후 작동하기까지의 부동 시간을 의미한다. 즉, 시스템이 동작 중이어서 그 시스템에 어떤 명령을 내리더라도 실행 중인 동작이 완료되기 전까지 수신된 명령을 처리할 수 없는 상태이면 그 시스템은 데드 타임 상태라고 볼 수 있다. 본 실시 예에서 데드 타임이 없는 계수기란 데드 타임 상태에 있지 아니한 계수기가 될 수 있다.
스위치부(102)는 동작 중인 계수기로는 전기 신호를 전달하지 아니하고 대기 중인 계수기로만 전기 신호를 전달하는 것이 가능하다. 스위치부(102)가 어떻게 데드 타임이 없는 계수기로 전기 신호를 전달하는지 대해서는 후술한다.
계수부(104)를 구성하는 각각의 계수기(104-1, 2, 3, 4)는 광자의 개수를 카운팅하는 것이 가능하다. 각각의 계수기(104-1, 2, 3, 4)의 구성을 보다 상세하게 살펴보면 도 2와 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 계수기의 구성을 도시한다.
도 2를 참조하면, 계수기(104-1)는 변환기(201), 증폭기(202), 변별기(203), 및 디지털 계수기(204)를 포함할 수 있다.
변환기(201)는 수신된 전기 신호를 전압 또는 전류로 변환한다. 예컨대, 도 1에서, 센서부(101)가 광 신호에 대응되는 전류를 생성한 경우, 변환기(201)는 수신되는 전류를 전압으로 변환하는 것이 가능하다.
증폭기(202)는 변환기(201)의 출력을 증폭시켜서 변별기(203)로 전달한다.
변별기(203)는 디지털 계수기(204)가 디지털 신호를 카운트할 수 있도록 수신된 신호를 적절하게 변환해주는 기능을 수행한다. 예컨대, 변별기(203)는 수신된 전압 또는 전류를 소정의 기준 전압 또는 전류와 비교하여, 디지털 비교 값을 출력하는 것이 가능하다.
본 실시 예에서, 센서부(101)는 광자가 검출된 경우 펄스 전류를 생성하고, 이 펄스 전류는 변환기(201)를 통해 펄스 전압으로 변환되고, 변환된 펄스 전압은 증폭기(202)를 통해 증폭되어 변별기(203)로 입력되는 것이 가능하다. 변별기(201)는 수신된 증폭 전압을 기준 전압과 비교하고 그 비교 결과에 따라 HIGH 또는 LOW 신호를 출력하는 것이 가능하다. 예를 들어, 변별기(203)는 증폭 전압과 기준 전압의 차이가 임계 값 이상인 경우 "1"을 출력하고, 그러하지 아니한 경우 "0"을 출력할 수 있다.
디지털 계수기(204)는 변별기(203)의 디지털 비교 값을 카운팅한다. 예컨대, 위 예에서, 디지털 계수기(204)는 변별기(203)의 "1" 출력을 카운팅하는 것이 가능하다. 광자에 의해 펄스 전류가 생성되고, 생성된 펄스 전류가 기준 값 이상인 경우 출력 "1"은 검출된 광자에 대응되기 때문에, 출력 "1"을 카운팅하면 광자의 개수를 카운팅하는 것이 가능하다.
본 실시 예에서, 변별기(203)의 출력, 즉 디지털 비교 값은 플래그 신호에 대응될 수 있다. 플래그 신호는 계수기(104-1)의 가용 여부 또는 동작 상태를 나타내는 것으로 제어부(103)로 입력된다.
다시 도 1에서, 제어부(103)는 플래그 신호에 기초하여 계수부(104)의 계수기들(104-1, 2, 3, 4) 중에서 데드 타임이 없는 계수기로 전기 신호가 전달될 수 있도록 스위치부(102)를 제어한다.
예를 들어, Flag 1이 "1" 이고 Flag 2, 3, 4가 "0" 인 경우, 이것은 제 1 계수기(104-1)는 동작 중이고 나머지 계수기들(104-2, 3, 4)은 대기 중인 것을 의미할 수 있다. 따라서 제어부(103)는 스위치부(102)를 제어하여 센서부(101)의 출력을 제 2 계수기(104-2), 제 3 계수기(104-3), 및 제 4 계수기(104-4) 중 어느 하나로 입력되도록 하는 것이 가능하다. 본 실시 예에서, "1" 또는 "0"은 설명의 편의를 위한 것으로, 플래그 신호 및 디지털 비교 값은 다양하게 설정될 수 있음은 물론이다.
버퍼(105)는 각각의 계수기(104-2, 3, 4)의 계수 결과를 저장한다. 버퍼(105)의 후단에는 계수 결과를 영상화하는 영상 처리부(미도시) 등이 구비되는 것이 가능하다.
각각의 계수기(104-2, 3, 4)는 플래그 신호를 통해 자신의 상태를 제어부(103)에게 알려주고, 제어부(103) 및 스위치부(102)는 플래그 신호에 기초하여 정상 동작이 가능한 경로로 전기 신호를 전달하기 때문에, 데드 타임으로 인한 펄스 Pile-up 현상을 제거할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자 계수 장치의 입력 신호를 도시한다.
도 3에서, 참조번호 301은 센서부(101)의 출력을 나타낼 수 있고, 참조번호 302는 각각의 계수기(104-1, 2, 3, 4)의 입력을 나타낼 수 있다. 예컨대, Pass_1은 제 1 계수기(104-1)의 입력을, Pass_2는 제 2 계수기(104-2)의 입력을, Pass_3은 제 3 계수기(104-3)의 입력을, Pass_4는 제 4 계수기(104-4)의 입력을 나타낼 수 있다.
도 3에서, 각각의 화살표는 검출된 광자에 의해 발생한 펄스 전압을 나타내고, 화살표의 끝에서 우측 아래쪽을 향하는 점선은 광자 계수 시에 필요한 데드 타임을 나타낸다.
먼저, 계수기가 한 개만 형성되는 경우를 설명한다.
한 개의 계수기만 형성되는 경우, 301의 입력이 모두 한 개의 계수기로 입력된다. 계수기가 ①번 펄스를 처리하기 위해서는 Td 만큼의 데드 타임이 생긴다. 즉, Td 시간 동안에 ②번, ③번, ④번 펄스가 생성되더라도 이를 처리할 수 없게 된다.
그러나, 본 실시 예와 같이, 다수의 계수기를 이용하면 데드 타임으로 인한 Pile-up 현상을 해소하는 것이 가능하다.
301의 입력은 스위치부(102)를 통해 302와 같이 여러 개로 분리되는 것이 가능하다. 예를 들어, 최초 ①번 펄스를 제 1 계수기(104-1)가 처리하는 경우, 제 1 계수기(104-1)는 ①번 펄스를 카운팅하고, 자신이 현재 동작 중임을 나타내는 플래그 신호를 제어부(103)로 인가한다. 제어부(103)는 수신된 플래그 신호에 기초하여 제 1 계수기(104-1)는 동작 중이고 나머지 계수기(104-2, 3, 4)는 대기 중에 있음을 알게 된다. 이어서 ②번 펄스가 스위치부(102)로 입력되면, 제어부(103)는 ②번 펄스를 제 1 계수기(104-1)가 아닌 다른 계수기(104-2, 3, 4)가 처리하도록 제어 신호를 스위치부(102)로 인가한다. 예컨대, ②번 펄스는 제 2 계수기(104-2)로 입력되는 것이 가능하다. 마찬가지로, 제 2 계수기(104-2)는 자신이 현재 동작 중임을 나타내는 플래그 신호를 제어부(103)로 인가하고, 제어부(103)는 플래그 신호를 이용하여 스위치부(102)를 제어한다.
즉, 어느 하나의 계수기가 데드 타임 상태에 있는 경우, 데드 타임이 없는 다른 계수기로 신호 전달 경로를 연결 시키는 것이 가능하며, 이를 통해 Td 시간 동안 펄스가 발생하더라도 Pile-up 현상 없이 카운팅을 수행하는 것이 가능해진다.
도 3에서는, 각각의 계수기가 순차적으로 사용되는 것을 예시하였으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 데드 타임이 없는 다른 계수기는 여러 개가 있을 수 있는데, 그 중 임의의 것을 선택해도 무방하다. 예를 들어, 데드 타임이 없는 계수기가 여러 개 존재하는 경우, 가장 오랫동안 실행되지 아니하였던 계수기를 선택하는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자 계수 방법을 도시한다.
도 4를 참조하면, 먼저 제어부(103)는 각각의 계수기(104-1, 2, 3, 4)로부터 플래그 신호를 수신한다(401). 플래그 신호는 각각의 계수기(104-1, 2, 3, 4)의 가용 여부를 나타내는 것이 가능하다. 예컨대, 플래그 신호는 각각의 계수기(104-1, 2, 3, 4)에 구비된 변별기(203)의 디지털 비교 값을 이용하는 것이 가능하다.
그리고 제어부(103)는 수신된 플래그 신호를 이용하여 데드 타임이 없는 계수기를 적어도 1 이상 선택한다(402). 예컨대, 검출된 광자에 대응되는 디지털 비 교 값이 "1" 인 경우, 제어부(103)는 "0" 플래그 신호를 출력하는 계수기를 데드 타임이 없는 계수기로 결정하는 것이 가능하다.
그리고 제어부(103)는 선택된 데드 타임이 없는 계수기로 광 신호에 대응되는 전기 신호가 전달되도록 스위치부(102)를 제어한다(403). 예컨대, 스위치부(102)는 제어부(103)의 제어 신호에 따라 현재 동작하고 있지 아니한 계수기로 신호가 전달되도록 신호 전달 경로를 스위칭하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 실시 예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시를 위한 구체적인 예를 살펴보았다. 전술한 실시 예들은 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 특정 실시 예에 한정되지 아니할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자 계수 장치의 구성을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 계수기의 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자 계수 장치의 입력 신호를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광자 계수 방법의 흐름을 도시한다.

Claims (6)

  1. 다수의 계수기를 포함하는 계수부;
    광 신호에 대응되는 전기 신호를 상기 다수의 계수기 중 어느 하나로 전달하는 스위치부; 및
    상기 계수부로부터 상기 각각의 계수기의 가용 여부를 나타내는 플래그 신호를 수신하고, 상기 수신된 플래그 신호에 기초하여 상기 다수의 계수기 중 데드 타임이 없는 계수기로 상기 전기 신호가 전달되도록 상기 스위치부를 제어하는 제어부; 를 포함하는 광자 계수 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 계수기는,
    상기 전기 신호에 대응되는 전압 또는 전류와, 기준 전압 또는 기준 전류를 비교하여, 디지털 비교 값을 출력하는 변별기; 및
    상기 디지털 비교 값을 계수하는 디지털 계수기; 를 포함하는 광자 계수 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플래그 신호는, 상기 디지털 비교 값에 대응되는 광자 계수 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치부는, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 다수의 계수기 중 동작 중인 계수기로는 상기 전기 신호를 전달하지 아니하는 광자 계수 장치.
  5. 각각의 계수기의 가용 여부를 나타내는 플래그 신호에 기초하여 상기 다수의 계수기 중 데드 타임이 없는 계수기를 적어도 하나 이상 선택하는 단계; 및
    광 신호에 대응되는 전기 신호를 상기 선택된 계수기로 전달하는 단계; 를 포함하는 광자 계수 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 플래그 신호는 상기 각각의 계수기에 구비된 변별기의 출력 신호에 대응되는 광자 계수 방법.
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