KR20130121828A - 방향성 방사선 검출 장치 및 역 콜리메이션을 사용하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 방사선 소스들의 세기 및 방향을 검출하는 방사선 검출기로서, 방사선 센서, 역 콜리메이터(inverse collimator)가 향하는 방향으로부터 생성된 입사 방사선의 적어도 일부로부터 상기 센서를 가리는(shield) 역 콜리메이터 및 상기 역 콜리메이터를 다른 방향들로 향하게 하는 수단을 포함하는 방사선 검출기를 제공된다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 하나 이상의 방사선 소스들의 세기 및 방향을 검출하는 방법에 있어서, 방사선 센서를 제공하는 단계, 역 콜리메이터가 향하는 방향으로부터 생성된 입사 방사선의 적어도 일부로부터 상기 센서를 가리는 역 콜리메이터를 제공하는 단계, 상기 역 콜리메이터가 다른 방향들을 향하도록 하는 수단을 제공하는 단계, 상기 역 콜리메이터가 한 방향을 향하게 하는 단계, 역 콜리메이터가 향하는 방향을 기록하고 상기 센서의 신호를 기록하는 단계, 하나 이상의 다른 방향들에 대해 이전 두 단계들을 한 번 이상 반복하는 단계를 포함하는 검출하는 방법이 제공된다.

Description

방향성 방사선 검출 장치 및 역 콜리메이션을 사용하는 방법{DIRECTIONAL RADIATION DETECTION APPARATUS AND METHOD USING INVERSE COLLIMATION}

본 발명은 방사선 검출 분야 및 방사선을 검출하기 위한 장비 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 방향성 방사선 검출을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

복수의 방사선 소스(source)들이 존재하고 잠재적으로 적당히 높은 방사능의 환경(예를 들어, 핵과정 또는 제염 설비)에서, 수동적 접근은 안전상의 이유들로 인해 제한되고, 기계적 및 전기적 지원에 대해서는 로드(load) 제한들이 존재한다. 이런 환경에서 사용되기 위한 방향성 방사선 검출 장치의 바람직한 특성들은 장치는 튼튼하고, 멀리서 작동될 수 있고, 내장형이고, 가볍고, 사용 후에 오염 물질이 제거되기보다는 버려질 수 있도록 저렴해야 하고, 그것은 가능한 짧은 시간 내에 방사능 환경을 조사할 수 있어야 한다. 적당히 높은 방사능 환경에서 하나 이상의 방사선 소스들의 세기와 방향을 모두 검출하기 위한 현존하는 방법들은 심각한 문제점들을 겪고 있다.

위에서 설명한 바와 같은 환경에서 방사선의 소스의 방향과 세기를 모두 측정하기 위한 두 개의 표준 방법들이 존재한다. 첫째, 비방향성 방사선 검출 장치가 검사될 환경 내에서 이곳저곳으로 이동될 수 있다. 이런 방식으로 그리드(grid) 검색을 함으로써, 소스의 위치 또는 방사선 소스들이 결정될 수 있다. 이 방법의 주요한 문제점은 그것이 시간 집약적이라는 것이다.

둘째, 매우 강한 방향성 검출 장치를 생성하기 위해 콜리메이터(collimator)가 사용될 수 있다. 콜리메이트된(collimated) 검출기를 다른 방향들로 향하게 함으로써, 방향 대비 방사선 세기의 이미지가 획득될 수 있다. 이런 검출기들에서 사용되는 콜리메이터는 방사선 센서를 둘러싸는 방사선 보호막(shield) 및 방사선 소스로부터의 방사선이 콜리메이트되는 구멍을 포함한다. 이 방법의 주요한 문제점은 콜리메이터 보호막 구성요소가 납 또는 스테인레스 스틸과 같은 무거운 재료로 만들어져야 해서, 다른 방향들을 향하도록 콜리메이트된 검출기를 움직이기 위해서는 매우 강해서 비싼 장비가 필요하다는 점이다. 이런 타입의 장치의 예는 여기서 참조 문헌으로 포함된 미국 특허 번호 7,186,963에 기재되어 있다.

비교적 가볍고 값싼 향상된 방향성 방사선 검출 장치에 대한 필요성이 남아있다.

이 배경 정보는 출원인에 의해 믿어지는 공지된 정보를 본 발명과 가능한 관련되도록 하기 위한 목적으로 제공된다. 임의의 상기 정보가 본 발명에 대해 종래 기술을 구성한다는 것에는 필연적으로 허가가 의도되지도 않고 해석되어서도 안 된다.

본 발명의 목적은 환경에서 하나 이상의 방사선의 세기 및 방향을 모두 측정하는 방법 및 방사선 검출기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 하나 이상의 방사선 소스들의 세기 및 방향을 검출하는 방사선 검출기로서, 방사선 센서, 역 콜리메이터(inverse collimator)가 향하는 방향으로부터 생성된 입사 방사선의 적어도 일부로부터 상기 센서를 가리는 역 콜리메이터 및 상기 역 콜리메이터를 다른 방향들로 향하게 하는 수단을 포함하는 방사선 검출기가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 하나 이상의 방사선 소스들의 세기 및 방향을 검출하는 방사선 검출기로서, 팬 모터, 틸트 모터, 베이스(base)와 두 개의 암(arm)들을 가진 u 자 모양 지지대, 제1 막대 및 제2 막대를 포함하는 역 콜리메이터 및 방사선 센서를 포함한다. 상기 팬 모터의 축은 사용가능하게 상기 u 자 모양 지지대의 상기 베이스에 연결되어 상기 축이 회전이 상기 u 자 모양 지지대의 회전을 일킨다. 상기 틸트 모터는 사용가능하게 상기 u 자 모양 지지대의 상기 암들에 연결되어 상기 축의 회전이 암들 내에서 상기 틸트 모터의 회전을 일으킨다. 상기 제1 막대 및 상기 제2 막대는 서로 세로로 일직선상이지만 상기 틸트 모터의 회전축의 반대편들에서 상기 틸트 모터에 부착된다. 상기 방사선 센서는 상기 틸트 모터로부터 가장 먼 상기 제1 막대의 말단에서 상기 제1 막대에 고정된다. 상기 팬 모터 및 상기 틸트 모터의 회전은 상기 역 콜리메이터가 다른 방향들을 향할 수 있게 한다. 상기 역 콜리메이터 및 상기 틸트 모터는 상기 제2 막대가 향하는 방향으로부터 생성된 입사 방사선의 적어도 일부로부터 상기 센서를 가린다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 하나 이상의 방사선 소스들의 세기 및 방향을 검출하는 방법에 있어서, (a) 방사선 센서를 제공하는 단계; (b) 역 콜리메이터가 향하는 방향으로부터 생성된 입사 방사선의 적어도 일부로부터 상기 센서를 가리는 역 콜리메이터를 제공하는 단계; (c) 상기 역 콜리메이터가 다른 방향들을 향하도록 하는 수단을 제공하는 단계; (d) 상기 역 콜리메이터가 한 방향을 향하게 하는 단계; (e) 역 콜리메이터가 향하는 방향을 기록하고 상기 센서의 신호를 기록하는 단계; 및 (f) 하나 이상의 다른 방향들에 대해 (d) 단계 및 (e) 단계를 한 번 이상 반복하는 단계를 포함하는 검출하는 방법이 제공된다.

도 1은 콜리메이터를 이용한 방향성 방사선 검출기와 역 콜리메이터를 이용한 방사선 검출기의 원리의 차이를 나타낸 도면이다.
도 2는 역 콜리메이터를 포함하는 방향성 방사선 검출기의 일례를 나타낸 도면이다.
도 3은 p-n 접합 실리콘 다이오드의 전류 및 전압 측정치로의 방사선장의 영향을 묘사한 그래프이다.
도 4는 역 콜리메이터를 포함하는 방향성 방사선 검출기의 바람직한 예의 이소메트릭(isometric) 도해도이다.
도 5는 도 4에 도시된 방향성 방사선 검출 장치의 앞 도해 및 부분 단면도이다.
도 6은 역 콜리메이터를 포함하는 방향성 방사선 검출기의 다른 예의 이소메트릭 도해도이다.
도 7은 역 콜리메이터가 수직 방향의 기어 휠의 대각 바퀴살인, 역 콜리메이터를 포함하는 방향성 방사선 검출기의 다른 예의 이소메트릭 도해도이다.
도 8A 및 8B는 방향성 방사선 검출기 및 역 콜리메이터를 이용한 방법을 사용하여 실행된 환경의 방사선 소스들의 연구를 표현하는 3D 구 이미지의 MATLAB 디스플레이의 두 측면도를 나타내고, 도 8C는 상면도를 보여준다.
도 9는 열 콜리메이션을 이용한 방법에 의한 방향성 방사선 검출의 수동 모드의 스크린 캡쳐를 보여준다.
도 10은 역 콜리메이션을 이용한 방법에 의한 방향성 방사선 검출에 대한 자동 모드 사용자 인터페이스의 스크린 캡쳐를 보여준다.
도 11은 역 콜리메이션을 이용하여 방향성 방사선 검출을 수행하는 시스템에서 사용되는 외부 정보 색인표의 스크린 캡쳐를 보여준다.
도 12A 및 12B는 역 콜리메이션을 이용한 방법에 의한 방향성 방사선 검출의 자동 모드의 흐름도를 묘사한다.

달리 정의되지 않는다면, 여기서 사용되는 모든 기술적인 그리고 과학적인 용어들은 본 발명이 속하는 기술에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.

명세서 및 청구항들에서 사용될 때, 단수 형태들 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 그렇지 않다고 명확히 지시하지 않는다면 복수 언급들(references)을 포함한다.

용어 "포함하는(comprising)"은 여기서 사용될 때 다름에 나오는 리스트가 완전하지 않고 임의의 다른 추가적인 적절한 아이템들, 예를 들어, 하나 이상의 추가적인 특성(들), 구성요소(들) 및/또는 성분(들)을 적절히 포함하거나 포함하지 않을 수 있다는 것을 의미하는 것으로 이해될 것이다.

방사선의 하나 이상의 소스들의 방향 및 세기 모두를 검출하는 향상된 방법 및 장치에서 역 콜리메이터가 사용될 수 있다는 것이 이제 발견되었다. 위에서 설명된 바와 같이, 방사선을 검출하는 현재의 방법들 및 기기들은 콜리메이터를 이용하고, 이것은 방사선 센서에서 방사선장 입사를 좁은 빔(beam)을 제외한 모든 방향들로부터 차단하는 보호막을 포함한다. 반면, 역 콜리메이터는 단지 좁은 빔에서만 전리 방사선 장을 차단하고 검출기가 모든 다른 방향들로부터의 방사선을 검출하도록 하는 작은 방사선 보호막을 포함한다. 콜리메이터를 이용하는 검출기는 방사선의 소스를 향할 때 그것의 가장 큰 반응을 생성할 것이고, 역 콜리메이터를 이용하는 검출기는 방사선의 소스를 향할 때(예를 들어, 역 콜리메이터의 방사선 보호막이 방사선 센서와 방사선의 소스 사이에 있을 때) 그것의 가장 작은 반응을 생성할 것이다. 도 1은 콜리메이터를 이용하는 검출기와 역 콜리메이터를 이용하는 검출기의 동작 원리의 차이를 보여준다.

역 콜리메이터에는 상당히 덜 가리는 재료가 이용되기 때문에, 방사선 검출기에의 그것의 결합은 검출기가 현재 또는 이전의 방사선 검출 시스템들보다 더 작고, 더 가볍고, 덜 강하게 구성되도록 한다. 더욱이, 역 콜리메이터의 사용은 비교적 작고 값싼 기계 구동(mechanical drive)을 사용하여 방사선 검출기가 원격으로 다른 방향들을 향하도록 허용한다.

역 콜리메이터는 유리하게 납, 텅스틴, 또는 스테인레스 스틸로 만들어진 막대이다. 그러나, 역 콜리메이터는 또한 전리 방사선으로부터 검출기를 가릴 수 있는 임의의 다른 물질로 만들어질 수 있다. 막대의 단면은 선택적으로 원형이나, 다른 단면들을 가질 수도 있다.

도 2를 참조하면, 방사선 검출기의 일 실시예는 방사선 센서(20)가 부착된 납 막대인 역 콜리메이터(10)를 이용한다. 도 2에 도시된 방사선 센서(20)는 전리 방사선에 대응하여 전기적 신호를 발산하는 고체 상태 다이오드를 기반으로 한다.

방사선 센서(20)는 바람직하게 언바이어스드(unbiased) 전류 생성 모드에서 사용되는 상업적으로 이용 가능한 고체 상태 P-N 접합 팟티드(potted) 실리콘 다이오드를 포함하고, 광전류의 출력은 방사선장 세기의 측정으로 사용된다. 이론에 얽매이기를 원하는 것은 아니나, 방사선 센서로서 다이오드를 사용하는 것 뒤의 이론은 광전 다이오드들이 가시 광선에 반응하는 것과 동일한 방법으로 다이오드들이 방사선에 반응한다는 것이다. 다이오드가 방사선장에 노출될 때, 적용되는 전압이 없을 때(즉, 언바이어스드 모드) 조차도 역 전류가 다이오드에서 생성된다. 전류 대 전압 커브(IV Curve)에서, 효과는 방사선장이 존재할 때 커브의 하향 이동으로 보인다(도 3 참조). 이 광전류와 방사선장 세기의 관계는 발명자들에 의해 연구되어 왔고 거의 선형적이라는 것이 발견되었다.

이미징 검출기에서 방사선 센서들로서 실리콘 다이오드들을 사용하는 것의 주요한 장점들은 그것들이 작고 싸고, 매우 넓은 영역의 감마 방사선 선량율(dose rate)들에 대해 작동한다는 것이다.

작은 센서를 갖는 것은 본 발명의 방사선 검출기의 전체적인 크기가 최소화되도록 하고, 그것은 검출기가 제한된 공간들에서 사용되는 것을 허용하고 그것이 그것의 주변 환경에 지장을 덜 일으키는 방식으로 사용되는 것을 허용한다. 다이오드는 작을 뿐만 아니라 인터페이스하기에 단순하다. 다이오드들은 상업적으로 이용 가능한 방사선 검출기들에서 공통인 것과 다른 매체의 입력들과 출력들의 동일한 번호를 갖지 않는다. 기계의 크기 및 단순함은 그것이 센서로 사용되는 시스템에서 큰 다재다능을 허용한다.

여러 가지 상업적으로 이용 가능한 p-n 접합 실리콘 다이오드들이 역 콜리메이터를 포함하는 방향성 방사선 검출기의 방사선 센서들로서 본 발명자에 의해 보정되고 데스트되어 왔다. 이 실리콘 다이오드 센서들이 넓은 영역의 방사선장 세기들에서 어플리케이션들의 방사선장들을 성공적으로 측정하기 위해 사용되어 왔다. 이 센서들은 수십 rad/hr 만큼 낮은 그리고 수백 krad/hr 만큼 높은 장들을 측정할 수 있다(Sur et al., "Radiation Exposure Rate and Liquid Level Inside a High Level Liquid Waste(HLLW) Storage Tank", Proceedings of the 28th Annual CNS Conference, Saint John, NB 2007 June 3-6을 참조하고, Sur et al., "A Detector System for Measuring High Radiation Fields", paper presented at the Sixth American Nuclear Society International Topical Meeting on Nuclear Plant Instrumentation, Control, and Human-Machine Interface Technologies NPIC&HMIT, Knoxville Tennessee, April 5-9, 2009를 참조함).

p-n 접합 실리콘 다이오드들로부터의 전류 출력이 작기(약 피코 암페어에서 나노 암페어) 때문에, 전류 신호를 증폭시키고 멀티미터와 같은 기기로 쉽게 읽힐 수 있는 약 0.25 V 내지 8.5 V의 영역 내의 전압 신호로 변환하기 위해 전류 대 전압 증폭기를 사용하는 것이 바람직하다.

실리콘 다이오드 기반 센서가 그것이 비교적 값싸고 작기 때문에 선호되지만, 센서는 또한 섬광(scintillation) 검출기 또는 전리 방사선을 검출할 수 있고 역 콜리메이터(10)가 향하는 방향에 위치한 소스로부터 생성된 방사선의 중요한 부분을 역 콜리메이터(10)가 차단할 수 있는 기하학적 구조와 크기의 임의의 다른 타입의 센서일 수 있다. 본 발명의 방사선 검출기 및 방법은 선택적으로 하나 이상의 센서를 이용할 수 있다. 발명의 대안적인 실시예에서, 역 콜리메이터의 각 말단에 부착된 두 개의 센서들이 사용될 수 있다. 역 콜리메이터의 각 말단에 센서의 사용은 방사선의 소스들에 대해 환경을 조사할 때 주어진 해상도를 달성하기 위해 필요한 측정치들의 개수를 반으로 줄인다.

환경 내의 장치의 위치를 변경하지 않고 환경 내의 복수의 소스들로부터 생성된 이온 방사선의 세기와 방향의 측정을 허용하기 위해, 장치는 역 콜리메이터(10)가 다른 방향들을 겨냥할 수 있는 팬 틸트(pan-tilt) 기능을 유리하게 갖출 수 있다.

바람직하게는, 기기는 (요구되는 해상도에 따라) 여러 가지 크기들의 단계들에서 영역권 내의 전체 범위의 방향들에 걸쳐 그 자신을 둘러볼 수 있어야 하고, 그것이 다른 방향들을 겨냥하면서 방사선 측정치들을 수집할 수 있어야 한다. 전체 영역권에 걸쳐서 5도×5도의 해상도를 달성하기 위해, 각 단계에서 측정이 이루어질 때, 대략적으로 1700 단계들이 요구된다. 2도×2도의 해상도를 위해서는, 각 단계에서 측정이 이루어질 때, 대략적으로 10000단계들이 요구된다. 범위의 전체 영역권을 달성하기 위해서는 요구되는 움직임의 범위는 틸트에서 180도이고 팬에서 360도이다. 이 범위의 움직임을 달성하기 위해서는, 두 개의 회전축 - 팬을 위한 것과 틸트를 위한 것 - 이 요구된다.

도 2에 도시된 발명의 실시예를 다시 참조하면, 팬/틸트 기능은 모터들(30, 40)로 달성된다. 팬 모터(30)는 베이스(base)(50)에 부착되어 팬 기능을 제공한다. 틸트 모터(40)는 플랫폼(60)에 부착되어 틸트 기능을 제공한다. 모터(40)의 탈 중심(off centre) 무게는 평형추(70)에 의해 대응된다.

팬 모터(30)의 축(35)은 사용가능하게 움직이는 지지대(80)에 연결된다. 모터(30)의 축이 회전하면, 지지대(80) 및 역 콜리메이터를 포함하여 플랫폼(80) 위에 위치한 장치의 다른 구성요소들도 회전한다.

틸 모터(40)의 축은 사용가능하게 지지대(90)에 연결되고, 결과적으로 역 콜리메이터(10)에 사용가능하게 연결된다. 따라서, 틸트 모터(40)의 축이 회전하면, 역 콜리메이터(10)도 회전한다.

도 4 및 5는 틸트 기능을 맡고 있는 모터가 역 콜리메이터 기하학적 구조와 결합되도록 모터들과 역 콜리메이터가 구성되는 본 발명의 방사선 검출기의 선호되는 실시예를 보여준다. 역 콜리메이터(10)를 포함하는 막대는 틸트 모터(40)의 회전축의 반대 편들에 위치하는 두 개의 부분들로 나눠진다. 틸트 모터(40)는 검출기를 가리는데 기여하므로 역 콜리메이터의 부분으로 여겨질 수 있다. 틸트 모터(40)의 축은 움직이는 U 자 모양 지지대(80)에 사용가능하게 연결되어, 팬 모터(30)의 축에 사용가능하게 연결된다. 도 2에 도시된 실시예의 이 디자인의 주요한 장점은 평형추의 필요성을 방지해서 장치의 전체 무게를 감소시킨다. 역 콜리메이터(10)의 두 개의 막대들은 볼트들(30)에 의해 위치에 유지되는 지지대들(25)에 의해 틸 모터에 고정된다.

센서(도시되지 않음)는 틸 모터(40)로부터 가장 먼 말단에서 역 콜리메이터(10)의 각 막대에 부착된다. 센서는 역 콜리메이터 막대(10)의 세로축에 수직으로 뚫어진 구멍(15)을 관통하여 삽입된다. 센서를 위치에 고정시키기 위해 고정 나사(도시되지 않음)와 결합할 때 세로축에 평행한 역 콜리메이터 막대(10)의 말단의 맨 윗 부분을 관통하는 나삿니가 있는 구멍이 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 구멍(15)을 관통하여 각각 막대(10)의 말단으로 삽입된 두 개의 센서가 사용될 수 있다.

팬 및 틸트 기능을 위해 사용된 모터들은 바람직하게는 정밀한 위치 제어를 감안한 스테퍼(stepper) 모터들이다. 예를 들어, 오토메이션 디렉트(Automation Direct)의 슈어스텝(SureStep^TM) 스테퍼 모터 시스템이 사용될 수 있다. 이런 세트는 두 개의 NEMA 23 크기 스테퍼 모터들, 두 개의 마이크로스테핑 드라이브들 및 전원 장치를 포함한다. 모터들은 1.8°의 기본 스텝(step)과 드라이브들이 허용하는 기본 스텝의 반, 1/5, 1/10, 1/20 및 1/50인 마이크로스텝들을 갖는다. 전원 장치는 모터와 드라이브 전원에 대해 120 VAC의 입력과 32VDC의 출력을 갖고, 신호들에 대해 5 VDC를 갖는다. 더 작은 NEMA 17 크기 모터들이 사용될 수도 있고 도 4 및 5에 도시된 디자인에 적절한 것으로 고려된다.

역 콜리메이터를 사용하는 방사선 검출기의 다른 예가 도 6에 도시된다. 이 실시예에서, 팬 모터(30)는 NEMA 23 크기 모터이고 틸트 모터(40)는 NEMA 크기 11 스테퍼 모터(대안적으로 NEMA 크기 8 스테퍼 모터, 또는 등가물이 틸트 기능을 위해 사용될 수 있음)이다. 역 콜리메이터(10)의 막대들 및 U 자 모양 지지대(80)의 암(arm)들은 도 4 및 5에 도시된 실시예에서 사용된 것들보다 더 길 수 있다. 역 콜리메이터 막대(들)은 센서 또는 센서들(도 6에 도시되지 않음)을 담기 위한 구멍들을 포함한다.

역 콜리메이터를 사용하는 방사선 검출기의 추가적인 예가 도 7에 도시된다. 이 예에서, 역 콜리메이터(10)는 수직 방향의 기어 휠(100)의 대각 바퀴살에 고정되고, 기어 휠은 위치에 고정되어 틸트 모터(40)의 축에 사용가능하게 연결된 드아이버 기어(90)의 도움으로 스테퍼 모터(40)에 의해 틸트를 위해 회전한다. 이 구성은 비록 기어 휠을 제조하는 다른 수단들이 손쉽게 사용될 수 있긴 하나 플라스틱 "3D 프린터"를 사용하여 기어 휠을 제고하고, 틸트 모터(40)를 역 콜리메이터의 외부에 위치시켜 검출기를 가리는데 기여하지 않음으로써 값싸고 복잡하지 않은 틸트 메커니즘의 가능성을 제공한다. 기어 휠(100), 드라이버 기어(90) 및 틸트 모터(40)는 휠 베이스(70)위의 위치에 고정되어 팬 기능을 제공하기 위한 팬 모터(30)의 축에 사용가능하게 연결된다. 이 실시예의 한정하지 않는 특정한 예에 따르면, 방사선 검출기는 두 개의 NEMA 17 크기 스테퍼 모터들의 사용을 생성한다. 도 7은 드라이버 기어(90) 및 틸트 모터(40)를 살펴보기 위해 휠 베이스(70)의 단면도를 보여준다. 휠 베이스(70)는 기어 휠(100) 및 드라이버 기어(90)를 제한하면서 그들 기어들이 맞물려서 움직임을 전달하는 것을 허용하도록 디자인된다. 도 7에 도시된 방사선 검출기는 대각 바퀴살(110)의 구멍(15)에 삽입된 하나의 센서를 포함하나, 추가적인 센서가 구멍(15)의 첫 번째 센서에 대략 반대하는 위치에서 기어 휠(100)에 결합될 수 있다.

선택적으로, 스테퍼 모터들이 전달하는 장치의 저킹(jerking) 동작을 줄이기 위해 가속/감속 램핑(ramping) 특성들을 가진 드라이버들이 사용될 수 있다.

역 콜리메이션을 이용한 방사선 검출

환경에서 방사선의 소스들의 지도를 획득하기 위해, 환경을 스캔하기 위해 역 콜리메이터를 포함하는 방사선 검출기가 이용되는 방법이 사용된다. 스캔하기 위해, 역 콜리메이터는 여러 방향들을 향하고 각 방향에서 센서로 입사된 방사선의 세기가 기록된다. 이런 역 콜리메이터를 이용하는 시스템은 환경에서 방사선의 소스들의 음화 영상(negative image)을 생성한다. 스캔된 데이터로부터 양화 영상(positive image)을 획득하기 위해 수학적 이미지 복원이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 데이터는 컴퓨터 스크린에 투영된 구면 위에 한 패턴의 색깔들로 3 차원으로 디스플레이될 수 있다.

따라서, 본 발명은 추가적으로 (ⅰ)방사선 센서 및 역 콜리메이터를 포함하는 방사선 검출기로 환경의 적어도 일부를 스캔하는 단계; 및 (ⅱ) 스캔할 때 각 위치에서 센서에 입사된 방사선의 세기를 기록하는 단계를 포함하는 방사선 소스 맵을 생성하는 방법을 제공한다. 결과로 생성된 방사선의 소스(들)의 음화 이미지는 방사선 소스 맵을 생성하는데 직접적으로 사용될 수 있다. 선택적으로, 위에서 착수된 후, 방사선 소스 맵을 생성하는 방법은 입사 방사선의 기록된 세기로부터 양화 이미지를 생성하기 위해 음화 이미지를 수학적으로 복원하는 단계를 더 포함한다.

해당 기술 분야의 기술자들에 의해 이해되는 바와 같이, 신호 프로세싱, 판독 및 시스템 제어 기능은 개별적인 기기들 또는 하나로 통합된 기기에서 구현될 수 있고, 하드웨어(예를 들어, PC 컴퓨터), 펌웨어(예를 들어, 어플리케이션 특정 칩들), 소프트웨어, 또는 그들의 결합을 사용하여 구현될 수 있다. 컴퓨터는 프로세싱 및 제어 동작들을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램 명령들을 저장하는 컴퓨터-판독가능 메모리를 포함하는 범용 컴퓨터일 수 있다. 컴퓨터는 또한 이런 동작들을 실행하기 위해 컴퓨터 판독 가능 매체에 포함된 명령들을 읽기 위한 디스크 드라이브, 컴팩트 디스크 드라이브, USB 드라이브 또는 다른 적절한 구성요소를 포함할 수 있다. 디스플레이 및 프린터와 같은 출력 주변 기기들에 더하여, 컴퓨터는 사용자가 컴퓨터로 정보를 입력할 수 있도록 하기 위한 마우스, 키보드, 바코드 스캐너, 광펜, 또는 해당 기술 분야의 기술자들에게 알려진 다른 적절한 구성요소를 포함할 수 있다.

일례에서, 방사선 검출기는 방사선 검출기의 제어 및/또는 방사선 검출기를 사용하여 획득된 데이터의 프로세싱을 위해 특별히 작성된 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독가능 메모리를 포함하는 컴퓨터에 의해 제어된다. 바람직한 실시예에서, 컴퓨터 프로그램은 다양한 하드웨어와의 통신이 용이하도록 디자인된 LabVIEW^TM 플랫폼을 사용하여 작성된다. 프로그램은 제어, 데이터 획득, 이미지 생성 및 디스플레이 기능들을 포함한다. 이미지 생성 및 디스플레이는 위치 및 방사선 데이터를 큐(queue)에 기록하고, 데이터를 프로세스하고 (3D) 구 이미지를 디스플레이하기 위해 MATLAB 스크립트를 사용함에 의해 이루어진다. 이런 디스플레이의 예는 도 8A-8C에 도시된다. 구들의 어두운 영역은 방사선의 Co-60 소스를 표현한다.

컴퓨터 프로그램은 방사선 검출기의 특정 애플리케이션 및 본 발명의 방법에 기반하여 작성되고, 해당 분야의 기술자들에게 잘 알려진 기본 프로그래밍 플랫폼들을 사용한다.

일 실시예에 따르면, 본 발명의 방사선 검출기를 제어하기 위한 컴퓨터를 포함하는 검출 시스템이 제공된다. 제어 컴퓨터는 현장에 위치할 수도 있으나, 일반적으로 사용자들이 방사선에 불필요하게 노출되지 않고 검출기를 제어할 수 있도록 검출기로부터 충분히 떨어져서 위치한다. 제어 컴퓨터는 출력 데이터가 전체로 또는 부분적으로 영구히 또는 일시적으로 저장될 수 있도록 판독-기록 기기를 포함할 수 있다. 판독-기록 기기는 추후의 고려를 위한 데이터의 기록을 용이하게 한다. 출력 데이터는 현장 컴퓨터를 이용하여 후처리될 수도 있고, 멀리 떨어진 컴퓨터로 운반되어 결과적으로 거기서 프로세스될 수도 있다.

검출 시스템은 선택적으로 제어 컴퓨터에 또는 선택적으로 방사선 검출기의 움직임을 제어하는 수단들과 결합하여 데이터 획득을 위한 수단들을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, NI DAQ(National Instruments Data Acquisition and Control Module)가 데이터 획득 및 소프트웨어와 방사선 검출기 간의 제어 인터페이스로서 사용된다. NI DAQ는 프로그램이 모든 입력과 제어 목적들을 위해 사용하는 다수의 아날로그 및 디지털 입력들 및 출력들을 갖는다. 아날로그 입력은 방사선 센서로부터 전류 측정치를 획득하기 위해 사용되고 디지털 I/O은 피드백을 획득하고 멀리서 증폭기 게인(gain) 설정을 제어하기 위해 사용된다. 모터들은 DAQ의 +5V 디지털 출력들을 사용하여 모터드라이브들로 펄스(pulse)들을 전송함으로써 제어된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 제어 프로그램은 작동의 두 가지 모드들:수동 및 자동을 갖는다. 두 모드들 모두에서, 모든 실시간 정보는 컴퓨터 파일에 기록되고; 이것은 전압 신호 및 증폭기 게인 설정과 같은 미가공 정보를 포함하여 타임스템프(timestamp), (설정된 정위치에 대한) 기기의 위치 각도들 및 센서 방사선 측정값들을 포함한다.

검출 시스템에 의해 수집된 데이터는 검출 시스템 및 그것의 방향(또는 위치)으로부터 방사선의 소스의 거리를 포함하여 3 차원 정보를 포함할 수 있다. 3 차원 정보는 검출 영역에서 (특정 거리 이내의) 방사선 소스들의 3 차원 지도를 복원하는데 사용될 수 있다.

수동 모드(도 9의 수동 모드 사용자 인터페이스의 예 참조)에서, 사용자는 방사선장 측정치를 모니터링하면서 멀리서 기기의 위치를 제어할 수 있다. 사용자는 사용자가 선택한 스텝 크기로(도 단위로) 각 방향에서 기기를 팬하거나 틸트할 수 있다. 추가적으로, 기기를 원하는 위치로 수동으로 옮기고 그 위치를 "정위치(Home Position)"로 설정할 뿐만 아니라 임의의 시점에 정위치로 돌아가는 능력이 있다. 수동 모드에서 주변 환경을 모니터링하면서, 사용자는 임의의 시점에 스냅샷(snapshot)"을 찍을 수 있다. 예를 들어, 스냅샷은 타임스템프, 기기의 위치 각도들, 센서 방사선 측정치들 및 사용자의 코멘트(comment)를 저장할 수 있다. 검출기의 민감도는 수동 모드부터 설정된다.

자동 모드(도 10의 자동 모드 사용자 인터페이스의 예 참조)는 사용자가 주변환경을 스캔하여 방사선 이미지를 디스플레이하는 '자동스캔(AutoScan)'을 실행하는 것을 허용한다. 사용자는 스텝 크기, 유지기간(역 콜리메이터가 한 방향을 향하면서 머무르는 시간의 양) 및 전체 구 영역을 스캔할지 상부 반구만 스캔할지 여부와 같은 설정들을 제어할 수 있다. 스텝 크기는 도 단위의 각 틸트 스텝의 크기이다. 기기는 각각의 위치에서 멈춰서 1 kHz의 비율로 방사선 측정을 하고 역 콜리메이터가 각각의 위치에서 멈추는 시간의 양인 "유지기간" 동안의 측정치들의 평균을 낸다. 유지기간이 길수록, 각 측정의 신뢰도는 높아진다(통계적 오류는 적어짐). 스캔이 정위치부터 시작하기 때문에 스캔이 시작되기 전에 정위치가 설정된 것을 확인하는 것이 또한 중요하다. 적절한 설정들이 선택되면, 사용자는 자동스캔을 시작할 수 있다. 그리고, 소프트웨어는 사용자가 자동스캔으로부터의 모든 정보가 저장될 파일을 유도하게 한다. 자동스캔 프로세스 동안 임의의 시점에, 사용자는 '스캔 정지(Stop Scan)' 버튼을 클릭함으로써 스캔을 정지시킬 수 있다. 사용자는 또한 스캔이 진행되는 동안 '이미기 보기(View Image)' 버튼을 클릭하여 부분적인 이미지를 볼 수 있다. 스캐닝 프로세스는 데이터의 수학적 프로세싱이 일어나는 동안에는 잠시 멈출 수 있다. 부분적인 이미지가 디스플레이될 때까지 스캔은 멈춰져 있을 수 있다. 스캔이 완료되면, 전체 이미지가 기기 주변의 구(또는 반구) 형태로 디스플레이된다. 자동 모드의 단계들의 흐름도가 도 12A-12B에 도시되어 있다.

바람직하게는, 수동 및 자동 모드들 모두 동안, 추가적인 정보가 LabVIEW, 또는 등가물, 프로그램에 의해 제어 프로그램 창의 밖으로 제공된다. 도 11에서 제공된 예에서 보여진 바와 같이, 추가적인 정보는 팬 및 틸트 각도들에 대한 가시적 디스플레이/가이드 및 센서로부터의 실시간 전류 측정치, 증폭기로부터의 전압 측정치, 및 증폭기 게인 설정(이것은 자동으로 또는 프로그램으로부터 수동으로 제어될 수 있음)의 러닝(running) 파형 디스플레이 형태의 미가공 데이터를 포함한다. 게인 제어가 자동으로 제어된다면, 전압 출력이 어떤 영역(바람직하게 0.25 V 내지8.5V)을 벗어나면 증폭기는 그것의 게인을 스위치한다.

선택적으로, 본 발명의 검출 시스템은 미국 특허 번호 7,186,963에 서술된 바와 같이, 연구 중인 환경의 가시적 이미지를 획득하기 위해 가시적 이미지 캡쳐링(capturing) 기기(예를 들어, 카메라)를 더 포함할 수 있다. 가시적 이미지는 환경 내의 시야의 특정 방향 또는 영역에 대한 방사선 측정 이전에 및/또는 중에 및/또는 후에 획득될 수 있다. 하나 이상의 방사선 측정치들로부터 한번 획득된 정보는 하나 이상의 대응하는 가시적 이미지들로 덮어 씌워질 수 있다.

이 명세서에 언급된 모든 출판물들, 특허들 및 특허 출원들은 이 발명이 속하는 기술의 기술자들의 수준을 나타내고, 각각의 개인적인 출판물, 특허, 또는 특허 출원들이 특별히 및 개인적으로 참조문헌으로 포함된다고 지시된 것처럼 여기 참조문헌으로서 포함된다.

발명이 설명된 바와 같이, 등가물이 많은 방법으로 변화될 수 있다는 것은 명확할 것이다. 이런 변화들은 발명의 참뜻 및 범위를 벗어나는 것으로 간주되지 않고, 모든 이런 변형은 다음 청구항들의 범위에 포함되는 것을 의도함은 해당 기술의 기술자들에게 명확할 것이다.

Claims (38)

1. 하나 이상의 방사선 소스들의 세기 및 방향을 검출하는 방사선 검출기로서,
   (a) 적어도 하나의 방사선 센서;
   (b) 역 콜리메이터(inverse collimator)가 향하는 방향으로부터 생성된 입사 방사선의 적어도 일부로부터 상기 센서를 가리는(shield) 역 콜리메이터; 및
   (c) 상기 역 콜리메이터를 다른 방향들로 향하게 하는 수단을 포함하는 방사선 검출기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 역 콜리메이터는 막대인, 방사선 검출기.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 막대는 원형의 단면을 갖는, 방사선 검출기.
4. 청구항 2 및 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막대는 금속 또는 금속 합금을 포함하는, 방사선 검출기.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 금속 또는 상기 금속 합금은 텅스틴, 납 및 스테인레스 스틸을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 방사선 검출기.
6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 역 콜리메이터를 다른 방향들로 향하게 하는 상기 수단은 그것의 고도 방향을 바꾸기 위해 상기 역 콜리메이터를 움직이는 수단 및 그것의 방위각 방향을 바꾸기 위해 상기 역 콜리메이터를 움직이는 수단을 포함하는, 방사선 검출기.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 역 콜리메이터를 그것의 고도 방향을 바꾸기 위해 움직이는 상기 수단은 틸트(tilt) 모터를 포함하고, 상기 역 콜리메이터를 그것의 방위각 방향을 바꾸기 위해 움직이는 상기 수단은 팬(pan) 모터를 포함하는, 방사선 검출기.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 역 콜리메이터는 기어 휠(gear wheel)의 대각 바퀴살(diametrical spoke)이고 상기 역 콜리메이터를 다른 방향들로 향하게 하는 상기 수단은
   (ⅰ) 상기 역 콜리메이터의 상기 고도 방향을 바꾸기 위해 상기 기어 휠을 그것의 중심축에 대해 회전시키는 틸트 모터; 및
   (ⅱ) 상기 역 콜리메이터의 상기 방위각 방향을 바꾸기 위해 상기 기어 휠을 상기 중심축에 수직인 제2 축에 대해 회전시키는 팬 모터를 포함하는, 방사선 검출기.
9. 청구항 7 및 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 틸트 모터, 상기 팬 모터 또는 상기 틸트 모터 및 상기 팬 모터 둘다 전기 모터들인, 방사선 검출기.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 전기 모터들은 스텝 모터들인, 방사선 검출기.
11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 반도체 다이오드(diode)인, 방사선 검출기.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 p-n 접합 실리콘 다이오드인, 방사선 검출기.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 역 콜리메이터는 상기 역 콜리메이터를 다른 방향들로 향하게 하는 상기 수단의 적어도 일부에 의해 서로 떨어져 있는 두 개의 세로로 나란히 놓여진 부분들을 포함하고, 상기 역 콜리메이터를 다른 방향들로 향하게 하는 상기 수단은 상기 역 콜리메이터(inverse collimator)가 향하는 상기 방향으로부터 생성된 상기 입사 방사선의 적어도 부분으로부터 상기 검출기를 가리는데(shield) 기여하는, 방사선 검출기.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 방사선 센서는 상기 역 콜리메이터 부분들 중 하나에 부착되는, 방사선 검출기.
15. 청구항 13에 있어서, 두 개의 방사선 센서들이 사용되고, 상기 역 콜리메이터의 상기 두 부분들의 각각에 하나의 방사선 센서가 부착되는, 방사선 검출기.
16. 하나 이상의 방사선 소스들의 세기 및 방향을 검출하는 방사선 검출기로서,
    (a) 팬 모터;
    (b) 틸트 모터;
    (c) 베이스(base)와 두 개의 암(arm)들을 가진 u 자 모양 지지대;
    (d) 제1 막대 및 제2 막대를 포함하는 역 콜리메이터; 및
    (e) 방사선 센서를 포함하고,
    상기 팬 모터의 축(shaft)은 사용가능하게 상기 u 자 모양 지지대의 상기 베이스에 연결되어 상기 축이 회전이 상기 u 자 모양 지지대의 회전을 일으키고;
    상기 틸트 모터는 사용가능하게 상기 u 자 모양 지지대의 상기 암들에 연결되어 상기 축의 회전이 암들 내에서 상기 틸트 모터의 회전을 일으키고;
    상기 제1 막대 및 상기 제2 막대는 서로 세로로 일직선상이지만 상기 틸트 모터의 회전축의 반대편들에서 상기 틸트 모터에 부착되고;
    상기 방사선 센서는 상기 틸트 모터로부터 가장 먼 상기 제1 막대의 말단에서 상기 제1 막대에 고정되고;
    상기 팬 모터 및 상기 틸트 모터의 회전은 상기 역 콜리메이터가 다른 방향들을 향할 수 있게 하고;
    상기 역 콜리메이터 및 상기 틸트 모터는 상기 제2 막대가 향하는 방향으로부터 생성된 입사 방사선의 적어도 일부로부터 상기 센서를 가리는, 방사선 검출기.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 틸트 모터로부터 가장 먼 상기 제2 막대의 말단에서 상기 제2 막대에 고정된 제2 방사선 센서를 더 포함하는, 방사선 검출기.
18. 청구항 16 및 17 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 막대 및 상기 제2 막대는 원형 단면을 갖는, 방사선 검출기.
19. 청구항 16 및 18 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 막대 및 상기 제2 막대는 금속 또는 금속 합금을 포함하는, 방사선 검출기.
20. 청구항 19에 있어서, 상기 금속 또는 상기 금속 합금은 텅스틴, 납 및 스테인레스 스틸을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 방사선 검출기.
21. 청구항 16 내지 20 중 어느 한 항에 있어서, 상기 틸트 모터 및 상기 팬 모터는 전기 모터들인, 방사선 검출기.
22. 청구항 21항에 있어서, 상기 틸트 모터 및 상기 팬 모터는 스테퍼 모터들인, 방사선 검출기.
23. 청구항 16 내지 22 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 반도체 다이오드인, 방사선 검출기.
24. 청구항 23에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 p-n 접합 실리콘 다이오드인, 방사선 검출기.
25. 하나 이상의 방사선 소스들의 세기 및 방향을 검출하는 방법에 있어서,
    (a) 적어도 하나의 방사선 센서를 제공하는 단계;
    (b) 역 콜리메이터가 향하는 방향으로부터 생성된 입사 방사선의 적어도 일부로부터 상기 적어도 하나의 센서를 가리는(shield) 역 콜리메이터를 제공하는 단계;
    (c) 상기 역 콜리메이터가 다른 방향들을 향하도록 하는 수단을 제공하는 단계;
    (d) 상기 역 콜리메이터가 한 방향을 향하게 하는 단계;
    (e) 역 콜리메이터가 향하는 방향을 기록하고 상기 센서의 신호를 기록하는 단계; 및
    (f) 하나 이상의 다른 방향들에 대해 (d) 단계 및 (e) 단계를 한 번 이상 반복하는 단계를 포함하는, 검출하는 방법.
26. 청구항 25에 있어서, 상기 센서의 신호는 기록되기 전에 증폭되는, 검출하는 방법.
27. 청구항 25 및 26 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방향 및 상기 신호는 디지털 저장 매체에 기록되는, 검출하는 방법.
28. 청구항 25 내지 27 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방향 및 센서 데이터는 컴퓨터를 이용하여 수학적으로 처리되고, 환경 내의 상기 하나 이상의 방사선 소스들의 위치 및 상기 세기를 나타내는 이미지를 디스플레이하기 위해 사용되는, 검출하는 방법.
29. 청구항 25 내지 28 중 어느 한 항에 있어서, 상기 역 콜리메이터는 막대인, 검출하는 방법.
30. 청구항 29에 있어서, 상기 막대는 원형 단면인, 검출하는 방법.
31. 청구항 29 및 30 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막대는 금속 또는 금속 합금을 포함하는, 검출하는 방법.
32. 청구항 31에 있어서, 상기 금속 또는 상기 금속 합금은 텅스틴, 납 및 스테인레스 스틸을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 검출하는 방법.
33. 청구항 25 내지 32 중 어느 한 항에 있어서, 상기 역 콜리메이터가 다른 방향들을 향하도록 하는 상기 수단은 그것의 고도 방향을 바꾸기 위해 상기 역 콜리메이터를 움직이는 수단 및 그것의 방위각 방향을 바꾸기 위해 상기 역 콜리메이터를 움직이는 수단을 포함하는, 검출하는 방법.
34. 청구항 33에 있어서, 그것의 고도 방향을 바꾸기 위해 상기 역 콜리메이터를 움직이는 수단은 틸트 모터를 포함하고, 그것의 방위각 방향을 바꾸기 위해 상기 역 콜리메이터를 움직이는 수단은 팬 모터를 포함하는, 검출하는 방법.
35. 청구항 34에 있어서, 상기 틸트 모터 및 상기 팬 모터는 전기 모터들인, 검출하는 방법.
36. 청구항 35에 있어서, 상기 전기 모터들은 스텝 모터들인, 검출하는 방법.
37. 청구항 25 내지 36 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 반도체 다이오드인, 검출하는 방법.
38. 청구항 37에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 p-n 접합 실리콘 다이오드인, 검출하는 방법.

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