KR20140022183A - ＳｉＰＭ을 이용한 전자식 방사선 개인선량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SiPM을 이용한 전자식 방사선 개인선량계에 관한 것으로서, 부피가 작고, 저선량 환경에서의 방사선 계측이 용이하며, CMOS 공정을 이용하여 저렴한 가격에 만들 수 있어, 제작 단가를 크게 낮출 수 있는 전자식 방사선 피폭 개인 선량계를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속필터; 상기 금속필터를 통과하는 방사선에 의해 전자-정공 쌍을 생성하고, 역방향 바이어스에 해당하는 고전압에 의해 전자는 음극쪽으로 정공은 양극쪽으로 이동하며, 이동하는 전자에 의해 전자 증폭이 이루어지는 SiPM; 상기 SiPM의 전자 증폭에 생성되어 입력되는 전하에 의한 신호를 아날로그 전압 신호로 출력하며, 동시에 증폭시키는 전치증폭기; 상기 전치증폭기로부터 입력받은 아날로그 전압신호가 특정 상한선(Upper Level Discriminator)과 하한선(Low Level Discriminator) 사이의 진폭을 가질 때 디지털 펄스를 출력하는 SCA; 상기 SCA를 통해 출력된 디지털 펄스를 일정 시간 동안 입력 받아, 입력된 디지털 펄스의 개수를 메모리에 저장하며, 상기 메모리에 저장된 디지털 펄스 개수와, 리드온리메모리에 미리 저장되어 있는 개인 선량 값을 곱하는 중앙처리부; 및 디지털 펄스 하나 당 방사선이 미치는 개인 선량 값을 미리 저장해 두고 있으며, 이 값을 상기 중앙처리부로 전달하는 리드온리메모리; 를 포함한다.

Description

ＳｉＰＭ을 이용한 전자식 방사선 개인선량계{ELECTRONIC RADIATION DOSIMETER USING SILICON PHOTO MULTIPLIER}

본 발명은 개인의 방사선 피폭 관리를 위하여 사용되는 능동형 선량계(Active Dosimeter) 중 전자식 방사선피폭 개인선량계에 사용되는 방사선 계측 센서 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부피가 작으며, 저선량 환경에서의 방사선 계측이 용이하며, CMOS 공정을 이용하여 저렴한 가격에 만들 수 있어, 제작 단가를 크게 낮출 수 있는 전자식 방사선 개인선량계에 관한 것이다.

방사선을 검출하는 기술과 관련해서는, 일본공개특허 2002-257937호(이하, '선행문헌') 이외에 다수 출원 및 등록되어 있다.

선행문헌에 따른 방사선 검출기는, 방사선을 직접 받고 전하로 변환하는 방사선 흡수부와, 변환된 전하를 증폭한 애벌란시형 증폭부를 갖고, 상기 방사선 흡수부가 에너지-범위 30keV내지 150keV의 방사선을 90%이상 흡수 가능한 불순물 농도 및 두께의 반도체 흡수체로 된 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 능동형 개인선량계인 종래의 전자식 방사선피폭 개인선량계로는 에너지보상형 GM계수관을 이용한 전자식 방사선피폭 개인선량계와, 에너지 보상형 Si 다이오드(diode)(PIN형 포토 다이오드) 검출기를 채용한 전자식 방사선피폭 개인선량계가 있다.

상기 종래의 에너지 보상형 GM계수관을 이용한 전자식 방사선피폭 개인선량계는, GM계수관 벽물질 외곽에 저에너지 광자를 감쇄시키는 물질(Pb, Sn, Cu 등)을 부착하여 검출기의 유효체적내에 도달하는 저에너지 광자를 감소시킴으로써 측정하고자 하는 에너지 영역(수십 keV 내지 수 MeV)에서 광자의 감응도를 평탄화한 에너지 보상형 필터를 채용한 소형의 GM계수관을 사용하여 계수관내로 입사하는 방사선의 전리작용에 의해 생성되는 전자에 고전압을 인가하여 발생되는 가스 증폭을 계수관 중심에 있는 양극에서 수집하는 검출기와 검출기로부터 출력된 신호는 펄스의 형성 및 신호를 증폭하는 전치증폭기와 주증폭기로 구성되는 미세신호처리전자회로 등의 후속 전자회로와 기타 경보장치, LCD표시장치, 선량계를 제어하는 마이크로 프로세서 및 메모리 장치 등을 조합하여 제작되고 있다.

상기 종래의 Si 다이오드(PIN형 포토다이오드) 검출기를 채용한 전자식 방사선피폭 개인선량계는 공핍영역에 입사한 방사선에 의해 생성된 전하를 수집하여 방사선을 계측하는 원리(고체 전리)를 이용한 PN반도체의 PN접합 사이에 고순도 반도체(Intrinsic Semiconductor)를 넣어 공간 전하 영역을 크게 한 것으로, PIN 반도체 검출기는 일반적으로 수 kohm의 고순도 실리콘 웨이퍼의 일면에는 p+층을 형성시키기 위해 B(Boron)을 주입(implantation)하고 타면에는 n+층을 형성시키기 위해 P(phosphorous)를 주입하여 제작하고 검출기의 앞면에 에너지 보상형 필터를 설치하여 개인피폭선량 측정용 선량계에 사용하고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 방사선 검출 센서를 이용한 전자식 방사선피폭 개인선량계는, GM 계수관의 경우, 실리콘 디텍터에 비해 부피가 매우 커 소형화, 경량화에 큰 문제점이 있었다. 그리고, PIN 다이오드의 경우 크기는 작지만, 증폭도가 매우 낮아 저선량의 환경방사선에 의한 피폭 측정의 민감도에 한계가 있다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 기존의 두 가지 방사선 센서와는 달리 차세대 실리콘 방사선 센서로 꼽히는 Silicon Photo-Multiplier(이하, 'SiPM')를 이용한다. SiPM는 GM 계수관에 비해 부피도 매우 작고, 가이거 아발란치 모드(Geiger Avalanche Mode)에서 이용되어 10⁶ 에 가까운 이득을 가지기 때문에 저선량 환경에서의 방사선 계측이 매우 용이하다는 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 목적은, 부피가 작으며, 저선량 환경에서의 방사선 계측이 용이한 전자식 방사선 개인선량계를 제공함에 목적이 있다.

그리고 본 발명의 다른 목적은, Complementary Metal Oxide Semiconductor(이하, 'CMOS') 공정을 이용하여 저렴한 가격에 만들 수 있어, 제작 단가를 크게 낮출 수 있는 전자식 방사선 개인선량계를 제공함에 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 SiPM을 이용한 전자식 방사선 개인선량계에 관한 것으로서, 금속필터; 상기 금속필터를 통과하는 방사선에 의해 전자-정공 쌍을 생성하고, 역방향 바이어스에 해당하는 고전압에 의해 전자는 음극쪽으로 정공은 양극쪽으로 이동하며, 이동하는 전자에 의해 전자 증폭이 이루어지는 SiPM; 상기 SiPM의 전자 증폭에 생성되어 입력되는 전하에 의한 신호를 아날로그 전압 신호로 출력하며, 동시에 증폭시키는 전치증폭기; 상기 전치증폭기로부터 입력받은 아날로그 전압신호가 특정 상한선(Upper Level Discriminator)과 하한선(Low Level Discriminator) 사이의 진폭을 가질 때 디지털 펄스를 출력하는 SCA; 상기 SCA를 통해 출력된 디지털 펄스를 일정 시간 동안 입력 받아, 입력된 디지털 펄스의 개수를 메모리에 저장하며, 상기 메모리에 저장된 디지털 펄스 개수와, 리드온리메모리에 미리 저장되어 있는 개인 선량 값을 곱하는 중앙처리부; 및 디지털 펄스 하나 당 방사선이 미치는 개인 선량 값을 미리 저장해 두고 있으며, 이 값을 상기 중앙처리부로 전달하는 리드온리메모리; 를 포함한다.

또한 상기 중앙처리부의 제어에 따라 개인 선량 값을 출력하는 디스플레이부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 SiPM에 역방향 바이어스(Reverse Bias)에 해당하는 고전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 SiPM의 전자 증폭에 의해 생성되는 전하에 의한 아날로그 출력 신호는, 입사 방사선의 양과 비례하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 고감도 센서를 이용하여 저선량 환경에서 개인 피폭 선량 측정의 정확도를 크게 높이고, 부피가 작은 실리콘 방사선 센서이기 때문에 개인선량계의 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다.

그리고 본 발명에 따르면, CMOS 공정을 이용하여 저렴한 가격에 제작할 수 있어, 고성능 선량계의 제작 단가를 크게 낮추어 일반 대중에도 저렴한 가격에 소형 개인선량계를 공급할 수 있는 효과도 있다.

그리고 본 발명에 따르면, 유기 섬광체와 같이 입사방사선 에너지 대비 광생성율이 낮은 특성의 섬광체와 결합하더라도, 단일 광자 하나도 가이거 아발란치( Geiger Avalanche)에 의해 매우 높은 게인으로 증폭 가능하기 때문에 저렴한 유기 섬광체를 이용 가능한 효과도 있다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 SiPM을 이용한 전자식 방사선 개인선량계의 구성을 도시한 블록도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 Single Cell SiPM을 보이는 일예시도.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 SiPM을 이용한 전자식 방사선 개인선량계에 관하여 도 1 내지 도 2 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 SiPM을 이용한 전자식 방사선 개인선량계의 구성을 도시한 블록도이다.

도시된 바와 같이, 방사선(10)이 금속 필터(Metal Filter)(20)를 통과하여 SiPM(40)에 도달하면 전자-정공 쌍(Electron-Hole Pair)이 생성된다.

이때, SiPM(40)에 역방향 바이어스(Reverse Bias)에 해당하는 고전압(30)을 걸어 주는데, 전자는 SiPM(40)의 음극쪽으로 정공은 SiPM(40)의 양극쪽으로 이동하게 되며, 이동하는 전자에 의해 SiPM(40) 내에서 전자 증폭이 이루어진다. 이를, 가이거 아발란치 브레이크다운(Geiger Avalanche Breakdown)이라고 하고, 이때 생성되는 전하에 의한 아날로그 출력 신호는 입사 방사선의 양과 비례한다.

전치증폭기(Preamplifier)(50)는 전하 민감형(Charge Sensitive) 방식으로서, 입력되는 전하에 의한 신호를 아날로그 전압 신호로 출력하며, 이와 동시에 증폭(Amplification)시킨다.

상기 전치증폭기(50)를 통해 생성된 아날로그 전압 신호는 Single Channel Analyzer(이하, 'SCA')(60)로 유입된다.

SCA(60)는 전치증폭기(50)로부터 입력받은 아날로그 전압신호가 특정 상한선(Upper Level Discriminator)과 하한선(Low Level Discriminator) 사이의 진폭을 가질 때 디지털 펄스를 출력하고, 중앙처리부(70)는 SCA(60)를 통해 출력된 디지털 펄스를 일정 시간 동안 입력 받아, 입력된 디지털 펄스의 개수를 메모리(80)에 저장한다.

리드온리메모리(90)는 선량계 제작 시, 디지털 펄스 하나 당 방사선이 미치는 개인 선량 값을 미리 저장해 두고 있으며, 이 값을 중앙처리부(70)에 전달한다.

또한, 중앙처리부(70)는 상기 메모리(80)에 저장된 디지털 펄스 개수와, 상기 리드온리메모리(90)에 미리 저장되어 있는 개인 선량 값을 곱하여 디스플레이부(100)를 통해 출력한다.

한편, 또 다른 방법으로서, 리드온리메모리(90)에 선량계 제작 시, 디지털 펄스 개수 당 개인 선량 값을 미리 저장해 두고, 메모리(80)에 저장된 디지털 펄스의 개수에 해당하는 값을 리드온리메모리(90)에서 중앙처리부(70)로 불러들인다.

이에 따라, 중앙처리부(70)는 별도의 계산과정이 필요 없이 개인 선량 값을 디스플레이부(100)를 통해 출력한다.

본 발명에 따른 전자식 방사선피폭 개인선량계는 SiPM(40)를 포토센서부로 구성하고, 가이거 아발란치 브레이크다운 영역(Geiger Avalanche Breakdown Region)에서 동작하게 하여 종래 기술에서 사용하는 포토센서부 보다 저에너지 민감도를 높일 수 있다.

그리고, CMOS 공정을 이용하기 때문에 제작 원가의 저감화가 가능하고, 부피와 무게 감소의 장점을 가지므로 사용 및 휴대의 편의성을 높이고 저렴한 가격에 국민들에게 개인선량계를 보급할 수 있다.

도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 Single Cell SiPM을 보이는 일예시도이다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10: 방사선 20: 금속 필터
30: 고전압 40: SiPM
50: 전자 증폭기 60: SCA
70: 중앙처리부 80: 메모리
90: 리드온리메모리 100: 디스플레이부

Claims (4)

1. 금속필터;
   상기 금속필터를 통과하는 방사선에 의해 전자-정공 쌍을 생성하고, 역방향 바이어스에 해당하는 고전압에 의해 전자는 음극쪽으로 정공은 양극쪽으로 이동하며, 이동하는 전자에 의해 전자 증폭이 이루어지는 SiPM;
   상기 SiPM의 전자 증폭에 생성되어 입력되는 전하에 의한 신호를 아날로그 전압 신호로 출력하며, 동시에 증폭시키는 전치증폭기;
   상기 전치증폭기로부터 입력받은 아날로그 전압신호가 특정 상한선(Upper Level Discriminator)과 하한선(Low Level Discriminator) 사이의 진폭을 가질 때 디지털 펄스를 출력하는 SCA;
   상기 SCA를 통해 출력된 디지털 펄스를 일정 시간 동안 입력 받아, 입력된 디지털 펄스의 개수를 메모리에 저장하며, 상기 메모리에 저장된 디지털 펄스 개수와, 리드온리메모리에 미리 저장되어 있는 개인 선량 값을 곱하는 중앙처리부; 및
   디지털 펄스 하나 당 방사선이 미치는 개인 선량 값을 미리 저장해 두고 있으며, 이 값을 상기 중앙처리부로 전달하는 리드온리메모리; 를 포함하는 SiPM을 이용한 전자식 방사선 개인선량계.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 중앙처리부의 제어에 따라 개인 선량 값을 출력하는 디스플레이부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 SiPM을 이용한 전자식 방사선 개인선량계.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 SiPM에 역방향 바이어스(Reverse Bias)에 해당하는 고전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 SiPM을 이용한 전자식 방사선 개인선량계.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 SiPM의 전자 증폭에 의해 생성되는 전하에 의한 아날로그 출력 신호는, 입사 방사선의 양과 비례하는 것을 특징으로 하는 SiPM을 이용한 전자식 방사선 개인선량계.

Images