KR20150085516A

KR20150085516A - 이온전류의 센싱장치

Info

Publication number: KR20150085516A
Application number: KR1020157014054A
Authority: KR
Inventors: 프로페서 로버트 프랑스
Original assignee: 유니버시티 오브 서섹스
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-07-23
Also published as: WO2014068304A1; CN104903744A; US20150279642A1; US9576776B2; JP2015533422A; GB201219488D0; BR112015009953A2; RU2015118456A; EP2914980A1

Abstract

이온전류의 센싱장치를 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 이온화 과정으로부터 발생하는 대전입자에 의해 생성되는 이온전류를 측정하고 검출하는 대전입자 센서에 있어서, 하우징(Housing)과 상기 하우징으로 둘러싸여 있으며, 대전입자들을 수집하기 위한 검출전극 및 상기 검출전극과 연결되어 입력으로서 DC 입력 신호를 수신하고, 출력으로서 DC 측정 신호를 제공하기 위한 전위계(Electrometer)를 포함하되, 상기 하우징은 외부 전기장으로부터 상기 검출전극을 차폐하여 외부 전기장에 대하여 상기 검출전극의 민감도(Sensitivity)를 감소시키기 위한 정전 차폐기를 포함하며, 상기 정전 차폐기는 상기 검출전극에 대향하는 제2전극으로서 제공되는 도전성 차폐시트를 포함하고, 상기 하우징 내부로 방사선의 진입을 허용하는 간극이 형성되어 있으며, 이온화 공정으로부터 발생하는 대전입자들 간의 전하 분리를 할 수 있도록, 상기 제 2 전극 및 상기 검출전극은 서로에 대해 바이어스 전압이 유지되어 이용되도록 배열되며, 상기 검출전극에 충돌하는 이온화 전류를 생산하는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서를 제공한다.

Description

이온전류의 센싱장치{Apparatus for Sensing Ionic Current}

이 발명은 대전입자들로부터 발생하는 이온전류를 측정하고 센싱하는 장치에 관한 것이다.

전리 방사선 소스(Source)에 의해 생성되는 전류를 검출하기 위한 다양한 장치의 형태는 이미 알려져 있다

기존의 이온화 챔버 방사선 검출기는 가스 분자의 이온화를 생성하는 챔버의 내부의 가스를 통과하는 대전입자 또는 방사선에 의해 동작한다. 이온 쌍은 이러한 이온화 과정 동안 가스 내부에서 형성되며, 수집을 위하여 전기장을 인가함으로써 모든 대전 이온 쌍을 분리시킨다. 컨덕터 내의 전류 펄스는 전기장에 비례하여 이러한 장치들이 일반적으로 동작하는 포화레벨까지 생성되며, 전류 펄스는 울력을 제공하기 위하여 카운트된다. 이러한 검출기는 일반적으로 큰 전기장을 이용하며, 방사선이 통과하는 창을 가진 밀봉된 가스(예를 들어, 아르곤) 충전 튜브를 필요로 한다. 이러한 창의 재질은 보통 얇은 금속박이나 운모 시트로 구성된다.

특히, 이러한 이온화 챔버는 원통형 구조를 가질 수 있으며, 원통형 구조는 중앙의 와이어 형태의 수집 전극과 원통형 하우징의 형태의 외부 전극을 포함한다. 중앙 전극과 외부 전극 사이에 인가되는 방사형 큰 전기장은 보통 100V에서 300V 사이로서, 전하를 분리시키는 프로세스를 일으키며, 이온화 생성물은 와이어 전극이 수집할 수 있다. 챔버 내에서 이온화 과정에 의해 발생하는 전류 펄스는 전압 펄스를 생성하기 위하여 큰 값의 저항을 통해 공급된다. 전압 펄스는 펄스를 카운팅하기 위한 펄스들을 증폭할 목적의 캐패시터를 통해 고 대역폭 증폭기에 AC 커플링된다.

이미 알려진 이온화 연기 검출기는 저항과 FET 소스의 조합으로 바이어스된 FET 디바이스에 입력 전류를 제공하기 위해 전극에 의해 수집되는 대전입자를 발생시키는 작은 아메리슘(241 Am, <1 uCu) 소스를 포함한다. 금속 하우징은 아메리슘(241 Am) 소스, 전극 및 FET를 감싸고 있으며, 고정 DC 전위로 바이어스되어 전기장을 발생시킨다. 하우징은 연기가 유입되고 충돌에 의해 아메리슘 소스로부터 발생한 입자의 흐름의 감소를 야기하는 구멍을 가지고 있으며, 이로써 FET 디바이스의 입력 및 이에 따른 출력 전압의 전위를 변화시킨다. 출력은 기준 전압과 비교되며, 특정한 한계치를 통과할 때 알람을 발생시키는 비교기에 공급된다. 상용 연기 감지기는 배터리 수명을 보존하기 위해 펄스 모드로 작동하며, 집적 회로 장치를 사용한다.

전술한 검출기는 연기의 존부를 검출하며, 연기의 양이 특정한 레벨을 초과하는 때 트립되도록 간단히 설계되어 있다. 검출은 연속적이지 않고, 발생하는 전류나 전하의 양적인 측정을 하지 않으므로, 이러한 장치의 적용에는 심각한 제한사항이 있다.

공개된 국제 특허 WO03/048789호는 검출되는 소스와 용량적으로 결합되며 AC 변위전류를 통해 기능하는 전위센서에 관련된 특허이다. 이러한 센서는 전기장, 공간전위 및 특정한 조건 하의 정전하를 측정할 수 있다.

그러나 전술한 전위센서는 대전입자와 이온화 과정에서의 생성물을 검출하는 기능이 없으며, 이에 의해 생성된 이온전류를 측정하는 기능도 마찬가지로 존재하지 않는다.

이온화 과정은 대전입자들 또는 이온들을 생성하고, 본 발명의 바람직한 일 실시예는 이러한 이온화 과정의 결과로 발생하는 이온전류를 측정하고 검출하는 장치를 제공하는데 일 목적이 있다.

여기에 나타난 이온전류라는 표현은 이온화 과정으로부터 생성된 이온들로 구성되는 전류를 의미할 수 있다. 설명하는 바와 같이, 이온전류는 기체, 진공, 액체 상태, 또는 고체 물질로 존재할 수 있다.

나아가, 여기에 나타난 방사선이란 표현은 고속의 전자와 무거운 대전입자의 경우와 같은 대전입자 방사선 및 전자기 방사선 또는 중성자의 경우와 같은 비 대전된 방사선을 포함한다.

본 발명은 이온화 과정에서 생성되는 이온화 전류를 측정하고 검출하며, 측정신호를 생성하는 출력으로 센서를 제공한다.

바람직한 실시예로서, 본 발명은 기체, 진공, 액체 상태, 또는 고체 상태의 이온전류를 검출하고 이러한 이온전류를 측정하기 위한 대전입자 센서를 제공한다.

한 실시예로서, 본 발명은 특정 중성의 입자 및 방사선의 존재에 응하여 이온화 과정이 발생되고 이에 따라 대전입자가 생성되는 것을 검출하는 센서를 제공하며, 이러한 과정으로부터 생성된 이온전류를 측정하고 검출하는 센서를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서는 정전 차폐(Electrostatic Screening )를 이용하여, 외부의 전기 장, 공간 전위와 정전하에 특히 둔감하도록 공간적으로 구성되어 있다. 대신 센서는 검출전극이 수집한 대전입자에 반응한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 특징은 외부 자기장으로부터 전극을 전기적으로 차폐하며, 전기장, 정전하 및 전위에 대한 민감도를 가능한 한 0에 가깝게 감소시킬 수 있도록 배치하는 데 있다. 이러한 목적을 위해 제공되는 정전 차폐기는 도전성 메쉬, 간극을 가진 다른 시트 재료 또는 방사선, 대전된 입자나 기타 입자들이 통과할 수 있는 물리적인 구멍을 포함하는 도전성 하우징 구조의 형태를 취할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온화 과정으로부터 발생하는 대전입자에 의해 생성되는 이온전류를 측정하고 검출하는 대전입자 센서에 있어서, 하우징(Housing)과 상기 하우징으로 둘러싸여 있으며, 대전입자들을 수집하기 위한 검출전극 및 상기 검출전극과 연결되어 입력으로서 DC 입력 신호를 수신하고, 출력으로서 DC 측정 신호를 제공하기 위한 전위계(Electrometer)를 포함하되, 상기 하우징은 외부 전기장으로부터 상기 검출전극을 차폐하여 외부 전기장에 대하여 상기 검출전극의 민감도(Sensitivity)를 감소시키기 위한 정전 차폐기를 포함하며, 상기 정전 차폐기는 상기 검출전극에 대향하는 제2전극으로서 제공되는 도전성 차폐시트를 포함하고, 상기 하우징 내부로 방사선의 진입을 허용하는 간극이 형성되어 있으며, 이온화 공정으로부터 발생하는 대전입자들 간의 전하 분리를 할 수 있도록, 상기 제 2 전극 및 상기 검출전극은 서로에 대해 바이어스 전압이 유지되어 이용되도록 배열되며, 상기 검출전극에 충돌하는 이온화 전류를 생산하는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서를 제공한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 중성의 방사선 및 입자를 검출하는 대전입자 센서에 있어서, 검출전극과 상기 검출전극과 연결되어 입력으로서 검출 입력 신호를 수신하고, 출력으로서 DC 측정 신호를 제공하기 위한 입력을 갖는 전위계 및 외부 전기장으로부터 검출전극을 차폐하기 위해 상기 검출전극을 감싸며, 이에 따라 외부 전기장에 대하여 상기 검출전극의 민감도를 감소시키기 위한 정전 차폐기를 포함하되, 상기 정전 차폐기는 방사선이나 입자가 통과할 수 있도록 많은 구멍을 포함한 도전성 물질의 차폐 시트를 포함하며, 제2의 전극으로 동작하도록 배열되며, 상기 검출전극은 피막이 형성된 평평한 표면을 가지며, 상기 피막은 화학 반응 또는 핵 반응에 의해 대전입자를 생성하기 위해 방사선과 입자간에 상호작용이 일어나도록 배치되는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서를 제공한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 대전입자에 의해 성성되는 이온화 전류를 센싱하는 방법에 있어서, 외부 전기장으로부터 검출전극을 차폐하여 외부 전기장에 대하여 검출전극의 민감도를 감소시키기 위해 정전 차폐 수단을 이용하여 상기 검출전극을 둘러 싸는 과정과, 여기서 상기 정전 차폐기는 상기 검출전극에 대응하는 제2전극으로서 제공되는 도전성 차폐시트를 포함함, 상기 도전성 차폐 시트를 통해 방사선을 통과시키고 상기 검출전극으로 충돌하는 이온화 전류를 생산하기 위해 상기 제2 전극과 상기 검출전극간에 전하를 분리하는 과정 및 상기 검출전극에 연결되어 입력으로서 DC 입력 신호를 수신하고, 출력으로서 DC 측정 신호를 제공하는 전위계를 사용하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화 전류 센싱방법을 제공한다

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 중성의 방사선 및 입자를 검출하는 방법에 있어서, 외부 전기장으로부터 검출전극을 차폐하여 외부 전기장에 대하여 상기 검출전극의 민감도를 감소시키기 위해 정전 차폐 수단을 이용하여 상기 검출전극을 감싸는 과정과, 여기서 상기 정전 차폐 수단은 상기 검출전극에 대응하는 제2전극으로서 제공되는 도전성 차폐시트를 포함함, 상기 도전성 차폐 시트를 통해 중성자 또는 방사선을 통과시키는 과정과 화학 반응 또는 핵 반응에 의해 대전입자를 생성하기 위하여 피막이 형성된 검출전극 상에서 중성자 또는 방사선이 상호작용을 하는 과정과 상기 검출전극에서 상기 대전입자를 수집하는 과정 및 상기 검출전극에 연결되어 입력으로서 DC 입력 신호를 수신하고, 출력으로서 DC 측정 신호를 공급하는 전위계를 사용하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 중성의 방사선 및 입자 검출방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 샘플 소스로부터의 대전입자는 차폐기를 통과하여 검출기로 진입하여, 검출전극과 충돌함으로써, 작은 DC 전류를 형성한다. 이러한 전자전류는 샘플 소스에 DC 연결을 포함하는 완전한 회로 루프가 존재하지 않음에도 불구하고, 입력으로 전달된 전하에 비례하는 검출기의 출력에서 DC 오프셋을 생성하도록 구성된다. 검출기에 추가적으로 차폐기를 격자로 취급하거나 추가적인 격자를 추가하고, 차폐기를 양 또는 음의 고정전위와 연결할 수 있다. 이러한 방법으로 입자의 에너지나 극성이 결정될 수 있다.

본 발명은 전기장으로 인한 신호와 이온전류로 인한 신호의 구별을 가능하도록 한다.

본 발명은 전술한 종래의 검출기보다 비용 면에 있어 매우 효율적으로 진보된 점을 제공한다.

또한 전술한 이온화 챔버에 대한 종래기술과 비교하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대전입자 센서는 평면 디스크 형태의 수집전극과 평행 디스크 형태의 메시 전극을 포함하는 본질적으로 더 높은 정전용량 구조를 갖는다. 이때, 수집 전극과 메시 전극은 원동형 쉴드로 둘러싸인다.

본 발명의 대전입자 센서는 다음의 조합으로부터 얻을 수 있는 DC 평균 전압을 생성한다.

1. 수집 전극으로 직접 충돌하는 대전입자

2. 하우징 내부 또는 외부에서 이온화 과정으로부터 생성된 파생(Daughter) 이온화 생성물

3. 피막이 형성된 전극과 중성의 입자 또는 방사선과의 상호작용의 결과

이 DC 전압은 전극 정전용량 및 전위계의 실효 입력 임피던스의 조합에 의한 통합 과정의 결과이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대전입자 센서를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대전입자 센서의 회로도이다.
도 3은 대전입자 센서의 전체적인 블록 다이어그램이다.
도 4 내지 9는 도 2의 대전입자 센서에서 변화된 형태의 대전입자 센서에 대한 회로도이다.
도 10은 대전입자 센서의 전극에 의한 검출을 야기하는 이온화 과정을 도시한 도면이다.
도 11 및 12는 도 2에 도시된 대전입자 센서를 이용하여 획득한 측정 결과 그래프를 도시한 도면이다.
도 13은 대전입자를 생성하는 화학 반응 또는 핵 반응을 생성하고 이러한 대전입자에 의해 야기되는 이온화 전류를 검출함으로써 중성의 입자 또는 방사선을 검출하는 도 2에 도시된 센서의 변형 센서에 대한 회로도이다.
도 14는 대전입자 센서의 피막이 형성된 전극에 의한 검출을 야기하는 이온화 과정을 도시한 도면이다.
도 15 및 16은 대전입자를 생성하는 화학 반응 또는 핵 반응을 생성하고 이러한 대전입자에 의해 야기되는 이온화 전류를 검출함으로써 중성의 방사선 또는 입자를 검출하는 도 2에 도시된 센서의 변형 센서에 대한 회로도이다.
도 17은 광 센서로서 사용될 도 2에 도시된 센서의 변형 센서에 대한 회로도이다.
도 18은 도 17에 도시된 대전입자 센서를 이용하여 획득한 측정 결과 그래프를 도시한 도면이다.

이온화 과정은 대전입자가 생기도록 하며, 대전입자는 여기서 정의되는 이온전류를 생성하는, 분리된 전하일 수 있다. 이러한 이온전류는 대전입자 센서를 포함한 센싱 장치에 의해 본 발명에 따라 측정될 수 있다. 다양한 다른 형태의 이온화 과정이나 이와 대응되는 다양한 다른 센싱 장치의 형태는 본 발명의 범주 내에 있다. 경우에 따라서는, 대전입자는 센싱장치 외부의 전리 방사선 소스에 의해 생성될 수 있으며, 대전입자는 센싱장치 내부의 이온화 과정에 의해 생성될 수 있다. 그러나 모든 실시예는 이온화 과정에 의해 생성되는 이온전류를 측정하고 검출하기 위한 특정의 공통된 특징을 가진 대전입자 센서를 포함한다.

도 1 내지 3을 먼저 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대전입자 센서를 포함한 센싱 장치가 도시되어 있다.

도 1에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대전입자 센서(10)는 검출전극(14)을 포함한 전위계(12) 및 검출전극(14)을 위한 전기장 차폐장치(16)를 포함한다. 검출전극(14)은 전위계(12)와 전기적으로 연결된 도전성 판형 전극으로 구성되며, 이하에서 설명하는 바와 같이, 출력으로 DC 측정신호를 공급하는 전위계(12)에 DC 입력을 공급하도록 배치된다. 전기장 차폐장치(16)는 검출전극(14)을 위해 전기장을 차폐하거나, 장치 내에서 검출전극(14)과 함께 이온 쌍 간에 전하의 분리가 일어나도록 하는 제2 전극을 제공하는 등 다양한 목적으로 이용된다. 전기장 차폐장치(16)는 또한 감지 장치 내에서 대전입자에 대한 검출전극(14)의 감도를 제어하도록 이용될 수 있다

도시된 바와 같이, 검출전극(14)은 바람직하게는 디스크 전극이며, 전위계(12)로부터 정궤환(Positive Feedback)에 의해 검출전극(14)과 동일한 전위로 유지되는 가드 (20)에 의해 둘러싸여 있다. 가드(20)는 물리적으로 검출전극(14), 입력회로 및 검출전극(14)으로부터 전위계(12)까지의 도선의 모든 부분을 감싸고 있으며, 예를 들어 도 2에 도시된 전위계(12) 내의 증폭기의 출력에 의해 구동되는 쉴드로 동작한다.

전기장 차폐장치(16)는 정전 차폐기(22)를 포함하며, 정전 차폐기는 제1 전기장 차폐기와 제2 전기장 차폐기를 포함한다. 제1 전기장 차폐기는 검출전극(14)과 가드(20)를 함께 둘러싸고 있는 원통형의 함체 또는 하우징(24) 형태를 가지며, 제2 전기장 차폐기는 함체 또는 하우징(24)의 개방된 부분을 가로질러 연장되며, 디스크 전극(14)의 평평한 표면과 대향하여 배치되는 디스크 형태의 메시(Mesh) 차폐전극(26)의 형태를 갖는다. 원통형 함체(24)와 메시 차폐전극(26) 모두는 도전성 물질로 형성된다. 이로 인해 원통형 함체(24)와 메시 차폐전극(26) 모두는 외부의 모든 전기장으로부터 검출전극을 차폐하며, 이러한 전기장, 정전하 및 전위에 대한 민감도를 가능한 한 0에 가깝게 감소시킨다. 메시 차폐전극(26)은 메시 차폐전극(26)을 통해 외부로부터 하우징(24) 내부로 대전입자, 방사선, 액체, 기체가 통과할 수 있도록 하는 다수의 구멍 또는 공극을 가지고 있다. 이에 의해 검출전극(14)은 그것의 표면에 부딪히는 입자를 수집할 수 있다.

디스크 형태의 메시 차폐전극(26)은 디스크 형태의 검출전극(14)과 평행하게 놓여 있으며, 효과적으로 제2 전극을 형성한다. 메시 차폐전극(26)은, 후술하는 것과 같이, 검출전극(14)에 대하여 기준 전위로 유지된다. 이렇게 메시 차폐전극(26)이 기준 전위로 유지되는 이유는 하우징(24) 내의 이온 쌍 간의 전하 분리를 돕고, 검출전극(14)에 부딪히는 대전입자에 대한 검출전극(14)의 민감도를 제어하기 위함이다. 검출전극(14)은 이후 전위계(12)의 입력으로 공급하기 위해서 도체 내에 표준 전자 전류를 발생시키는 대전입자를 수집한다. 마찬가지로, 하우징(24)은 접지와 같은 기준 전위를 유지해야만 하며, 검출 과정이 진행되는 동안 하우징 자체가 충전되지 않는 것을 확실히 하기 위하여 부동해서는 안 된다. 메시 차폐전극(26)과 검출전극(14) 간의 바이어스 전압은 일반적으로 수 볼트, 예를 들어 + 또는 ? 2.5V에서 5V 사이의 어느 값 정도로 낮을 수 있다. 구체적으로 바이어스 전압은 + 또는 ? 4V 사이의 값일 수 있다. 종래 기술에서 ?은 전압을 필요로 했던 것과는 대조적으로 아주 민감한 전위계(12)를 이용하기 때문에, 이렇게 낮은 전압으로도 필요한 전하의 분리를 달성하는 데 충분하다.

도 2는 도 1의 대전입자 센서(10)의 회로도이며, 전위계(12)와 원통형 함체(24)와 메시 차폐전극(26)의 전기적인 연결관계를 구체적으로 도시한 도면이다. 도 2에서 도시한 바와 같이, 전위계(12)는 표준 비반전 증폭기(30)를 포함하며, 증폭기(30)의 양의 입력은 입력 도선(14a)에 의해 검출전극(14)과 연결된다. 증폭기(30)의 출력은 센서의 출력 단자(18)와 연결된다. 도시된 바와 같이, 전위계(12)는 공급전원(Supply Rail)인 V+와 V-와 연결되어 있으며, 공급전원은 통상적으로 2.5V ~5V사이의 값을 이며, 예를 들어 4V일 수 있다. 전위계(12)는 DC 바이어스 저항(Rbias), 저항(R3)과 캐패시터(C1)을 포함하는 부트스트래핑(Bootstrapping) 장치(32) 및 저항 R1과 R2를 포함하는 이득 조절 장치(34)를 가진다. DC 바이어스 저항(Rbias)은 증폭기(30)로 입력 바이어스 전류를 공급하고, 부트스트래핑(Bootstrapping) 장치(32)는 바이어스 저항을 부트스트래핑(Bootstrapping)하며, 이득 조절장치는 증폭기(30)의 이득을 조절한다.

이득 증폭기가 증폭기(30)로 사용되는데, 이는 그렇지 않으면 하우징(24) 내의 이온전류의 작은 진폭이 수집을 위한 검출전극(14)에 의해 쉽게 검출되지 않기 때문이다. 가드(20)는 부트스트래핑 장치(32)의 캐패시터(C1)와 인접한 포인트(32a)와 연결되며, 이에 증폭기(30)의 이득이 인가되는 점으로부터 증폭기(30)의 출력에 의해 구동된다. 가드(20)를 이용하여 검출전극(14)을 보호함으로써, 증폭기(30)에 대한 실효 입력 캐패시턴스를 최소화할 수 있는 반면, 바이어스 저항을 위한 부트스트래핑 장치는 높은 입력 임피던스 전위계(12)를 제공하기 위해 증폭기(30)의 입력 저항을 증가시킨다.

원통형 함체(24)와 메시 차폐전극(26) 모두는 다양한 구성으로 기준 전위 소스와 연결될 수 있으며, 이는 도 4 내지 9를 참조하여 이하에서 설명하기로 한다.

도 3을 참조하면, 대전입자 센서의 개략적인 블록 다이어그램은 도 2에 도시된 증폭기(30)를 포함한 증폭회로(300), 센서 전극(14), 메시 차폐전극(26)과 원통형 함체(24)를 포함하는 전극과 전기장을 차폐시키는 차폐장치(310) 및 출력으로 DC 측정 신호를 생성하는 출력단자(18)를 포함하는 DC 커플링된 출력 스테이지(320)를 포함한다. 또한 다양한 보조 피드백 회로를 포함한다. 보조 피드백 회로는 예를 들면, 가드(20)와 부트스트래핑 회로(32)를 포함하는 정궤환 장치(330)와 이득 조절회로(34)를 포함하는 부궤환(Negative Feedback) 장치(340) 및 증폭기 회로(300)에 안정적인 DC 바이어스 전류를 공급하기 위한 DC 바이어스 저항(Rbias)을 포함하는 DC 바이어스 네트워크(350)일 수 있다. 이러한 보조 피드백 회로들은 표시된 기능을 제공하는 부가 회로 구성요소를 포함할 수 있으며, 추가적인 임피던스 증강용 보조회로가 제공될 수도 있다.

예를 들어, 메시 차폐전극(26)과 하우징(24)은, 도 5에 도시된 바와 같이, DC 전하 분리 신호와 겹쳐진 부트스트랩 신호를 가질 수 있다. 이는 하우징 구조와 센서의 정전용량을 부분적으로 중화함으로써, 센서의 실효 통합시간을 감소시키는 데 사용될 수 있다.

특히, 센서의 실효 통합시간은 수학식 1과 같다.

여기서 Reff는 센서의 실효 입력저항이며, Ceff는 센서 입력 정전용량, 전극 정전용량 및 하우징 정전용량으로 이루어진 총 실효 정전용량이다.

바이어스 저항(Rbias)을 부트스트래핑하면 실효 입력 저항(Reff)이 증가되며, 하우징으로 부트스트랩 신호를 공급하면 총 실효 정전용량(Ceff)이 감소된다. 만약 부트스트랩이 바이어스 저항(Rbias)에만 인가되면, 통합시간은 증가하며 응답은 아주 느려질 것이다. 반면에 부트스트랩이 하우징에도 함께 인가된다면, 실효 입력저항(Reff)이 증가하는 것을 보상하기 위해 실효 정전용량(Ceff)은 감소하게 된다. 이러한 방법으로 센서의 대역폭을 설정하는 통합시간은 도 5에 따라 제어될 수 있다.

따라서 도 3에 도시된 센서장치는 외부 전기장의 검출로 인해 결과가 왜곡되고 영향을 받는 것을 방지하는 데 필요한 차폐장치(310)를 포함한다. 또한 센서장치는 증폭기 회로(300)를 포함하고, 증폭기(30)의 입력을 공급하기 위해 전자전류를 생성하며, 증폭기(30)의 출력으로 출력 측정 신호를 생성하기 위하여, 검출전극(14)을 통해 이온화 전류의 수집과 검출을 가능하도록 하는 DC 커플링된 출력 스테이지(320)를 포함한다. 바이어스 전압이 높으면 민감도가 높아지기 때문에, 민감도는 두 전기장 차폐기 24, 26의 전압을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 전위계(12)에 안정된 DC 바이어스 전류를 제공하기 위해, 도 3에 도시된 회로(330, 340, 350)에서 입력 임피던스 증강 피드백 기술의 조합은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 조작에 필수적이다.

두 전기장 차폐기(24, 26)는 상호간 전기적으로 연결되고, 기준 전위, 예를 들어 접지 또는 각각의 원하는 고정된 다른 전위로 연결될 수 있다. 원통형 함체(24)는 접지되거나 검출전극(14)과 같이 보호(Guard)되거나, 다른 극성의 고정된 DC 전위가 인가될 수 있다. 이와 유사하게 메시 전극 차폐기(26)도 접지되거나, 고정된 양의 극성 또는 음의 극성을 유지할 수 있다. 이러한 전위를 조작함으로써 특정한 극성과 에너지를 가진 대전입자를 허용되거나 거부되도록 할 수 있다. 게다가 대전입자 센서(10)와 검출전극(14)의 민감도는 메시 전극 차폐기 전극(26)과 검출전극(14) 간의 간격(Spacing)의 변화에 의해 제어될 수 있다.

도 2에 도시된 것과 동일한 회로 특성을 갖는 차폐기의 다양한 구성의 예로서 도 4내지 9에 도시되어 있으며, 이를 참조하여 이하에서 설명된다. 동일한 구성에 대해서는 같은 도면 부호를 부여하였으며, 이에 대해서는 더 이상 설명하지 않도록 한다.

첫 번째 구성이 도 4에 도시되어 있는데, 이는 원통형 함체(24)와 메시 차폐전극(26)은 각각 도선(36, 38)에 의해 접지(40)선에 연결되어 있다. 이러한 구성에서 대전입자 센서(10)는 양의 대전입자 및 음의 대전입자 모두에 대해 동일한 민감도를 가질 것이며, 상대적으로 낮은 민감도를 나타낼 것이다. 이러한 구성은 대전입자가 검출전극(14)에 도달하기 위해서 상대적으로 높은 에너지를 가지고 감지되어야 한다.

만약 더 높은 민감도가 요구되는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 원통형 함체(24)와 메시 차폐전극(26)은 각각 도선(42, 44)에 의해 가드(20)와 연결될 수 있으며, 이에 가드와 동일한 전위를 갖는다. 이러한 구성은 기생 용량(Parasitic Capacitance)을 감소시킴으로써 입력 임피던스를 증가시키고, 이에 따라 양의 대전입자 및 음의 대전입자 모두에 대한 민감도를 높인다.

도 6에는 원통형 함체(24)와 메시 차폐전극(26)에 대해 다음과 같은 구성이 도시되어 있다. 원통형 함체(24)는 도선(46)에 의해 접지(40)와 연결되어 있으며, 메시 차폐전극(26)은 도선(48)에 의해 가드(20)와 연결된다. 이에 따라 원통형 함체(24)는 접지와 동 전위를 가지며, 메시 차폐전극(26)은 가드(20)와 동 전위를 갖는다. 이때, 추가적인 부유 용량(Stray Capacitance)은 접지된 차폐기에 존재하며, 이는 민감도가 중간 정도의 수준을 갖도록 한다. 또한 추가적인 부유 용량이 접지된 차폐기에 존재함으로써, 예를 들어, 아메리슘(241 Am) 또는 이와 유사한 저 활성 방사성 동위원소 소스로부터 생성되는 단거리, 낮은 에너지 및 양 전위로 대전된 알파 입자의 검출하는 등의 용도에 적용될 수 있다.

입자의 극성의 구별이 필요한 경우라면, 양 또는 음 전위 소스를 원통형 함체(24) 및 메시 차폐전극(26) 중 적어도 하나와 연결함으로써, DC 바이어스 전압은 도 7과 8에 도시된 메시 차폐전극(26) 또는 도 9에 도시된 원통형 함체(24)와 메시 차폐전극 모두에 인가될 수 있다. 양의 바이어스 전압은 메시 차폐전극(26)으로부터 음의 대전입자를 우선적으로 끌어당기며, 이에 따라 검출전극(14)에서는 양의 대전입자를 검출할 수 있다. 반대로 음의 바이어스 전압은 메시 차폐전극(26)으로부터 양의 대전입자를 우선적으로 끌어당기며, 이에 따라 검출전극(14)에서는 음의 대전입자를 검출할 수 있다.

보다 구체적으로 도 7을 고려해보면, 원통형 함체(24)는 도선(50)에 의해 접지선(40)과 연결되어 있으며, 메시 차폐전극(26)은 도선(52)에 의해 양 전위(도 2에서의 공급전압(30a)) 소스(54)에 연결되어 있다. 메시 차폐전극(26)은 양의 DC 전압으로 바이어스되며, 이에 따라 양의 대전입자 보다는 음의 대전입자를 끌어당기는 데 이용된다. 따라서 양으로 대전된 대전입자가 메시 차폐전극(26)을 통과하고, 이에 따라 검출전극(14)에 부딪히게 된다.

도 8을 참조하면, 원통형 함체(24)는 여전히 도선(50)에 의해 접지선과 연결되어 있으나, 도 7과는 달리 메시 차폐전극(26)은 도선 (56)에 의해 음 전위(도 2에서의 공급전압(30b)) 소스(58)에 연결되어 있다. 본 실시예에 따르면, 메시 차폐전극(26)은 음의 DC 전압으로 바이어스 되며 이에 따라 양의 대전입자를 끌어당기게 되어, 메시 차폐전극을 통과하고 검출전극(14)에 부딪히게 되는 대전입자는 음의 대전입자가 된다.

도 9를 참조하면, 원통형 함체(24)와 메시 차폐전극(26) 모두가 각각 도선(60)과 도선(62)에 의해 V 값을 갖는 전위 소스와 연결된다. 이때 V 값은 필요에 따라 양 전위일 수도 있고 음 전위일 수도 있다(도 2에서의 공급전압(30a, 30b)에 각각 대응). 검출 되는 것의 반대되는 극성의 입자는 원통형 함체(24)와 메시 차폐전극(26)이 끌어당기기 때문에, 본 실시예는 양의 대전입자와 음의 대전입자 간에 높은 식별도를 제공한다. 따라서 원통형 함체(24) 및 메시 차폐전극(26)을 통과하여 검출전극(14)에 도달하는 하나의 극성을 갖는 대전입자는 거의 존재하지 않는다.

각각의 경우에, 대전입자는 메시 차폐전극(26)을 통과하여 검출전극(14)에 수집되며, 이에 따라 전위를 발생시킨다. 이때 전위는 출력 단자(18)로 DC 출력 신호를 발생시키는 증폭기(30)에 입력될 DC 입력 전류를 생성한다. 검출전극(14)의 DC 전압은 검출전극의 정전용량과 전위계의 실효 입력 임피던스의 통합 과정으로부터의 결과에 해당한다. DC 전압은 통합시간 동안 발생하는 이온화 과정의 수에 비례하는 신호를 제공한다. 전술한 대로, 통합시간은 총 실효 정전용량과 센서의 입력 저항에 의해 정해진다.

바이어스 저항(Rbias)을 포함하는 DC 바이어스 네트워크(350)가 제공하는 한정된 DC 방전 경로가 존재함으로써 센서가 포화되는 것이 방지된다. 충전과 방전이 균형을 이루는 평형 상태(Equilibrium Situation)에 도달하면 출력 전압이 안정된다. 예를 들어, 대전입자의 흐름이 검출전극(14)으로 유입하는 입력 전류(Iin) 인 경우,

또한 바이어스 저항(Rbias)의 실효 값으로 10¹²Ω을 갖는다면, 이에 따라 증폭기에 입력될 수학식 3과 같은 신호가 생성된다.

실제로, 본 발명의 기본적인 실시예에 따른 대전입자 센서로부터의 검출 과정은 전술한 것보다 다소 복잡할 수 있으며, 이러한 실시예의 동작은 도 10을 참조하여 일반적인 용어로 이하에서 설명하도록 한다. 도시된 바와 같이, 대전입자(A)의 소스는 대기 중에 놓이는 하우징(24)의 외부에 위치하며, 대전입자(A)는 메시 차폐전극(26)을 통해 하우징(24)으로 진입하며, 검출전극(14)과 직접적으로 부딪힌다. 하우징(24) 내에서 공기의 이온화 또한 발생하며, 이에 따라 양의 대전입자 및 음의 대전입자(B)가 발생한다. 이러한 것들은 메시 차폐전극(26)과 검출전극(14) 사이의 전기장에 의해 분리되며, 하나의 극성을 가진 입자(B)는 또한 검출전극(14)에 부딪힌다. 게다가, 일부는 하우징(24) 외부에서도 공기의 이온화가 발생하며, 이에 따라 양의 대전입자 및 음의 대전입자(C)가 발생한다. 이들 중 일부는 메시 차폐전극(26)을 통해 하우징(24) 내부로 진입한다. 이러한 입자(C)는 또한 메시 차폐전극(26)과 검출전극(14) 사이의 전기장에 의해 분리되나, 입자(B) 보다는 상대적으로 낮은 효율을 갖는다. 따라서 검출전극(14)은 특정 극성을 갖는 입자 (A, B, C)를 수집한다. DC 평균 전압 신호는 다음과 같이 구해진다.

1. 검출전극으로 직접 부딪히는 소스로부터의 대전입자와

출력은 검출전극에 의한 합성 신호(Composite Signal)지만, 대전입자에 기인한 신호는 ‘파생’ 이온화 생성물에 기인한 신호에 비해 아주 작다. 예로서, 아메리슘 알파 소스로부터 생성되는 알파 입자를 고려하면, 각 알파 입자는 일반적으로 10,000 공기 분자를 이온화한다.

기술된 검출시스템은 종래에 전류가 흐르는 전기회로에서 요구되는 바와 같이 완전한 루프 회로를 포함하지 않는다. 이온화 전류 소스는 자유 공간상으로 대전입자를 방사하고, 전위 소스에 의해 구동되지 않는다. 그들은 전기 회로의 기존의 법칙에 따르지 않는다.

이는 이온화된 입자의 소스로서의 촛불(Naked Candle Flame)의 검출과 알파 입자의 소스로부터 방사되는 이온화 방사선의 검출을 포함하는 다음의 예를 고려함으로써 예시될 수 있다.

이온화된 기체의 직접적인 검출

감지 대상인 이온화된 입자의 다양한 가능한 소스들은 연소(Combustion) 생성물과 플라즈마를 포함할 수 있다. 다양한 촛불과 같은, 상대적으로 낮은 온도의 소스라 하더라도 검출될 수 있는 충분한 이온화 생성물을 생산한다. 도 11은 춧불을 메시 차폐전극(26)에 가깝게 배치한 후, 도 4의 대전입자 센서(10)를 사용하여 다양한 시간 간격으로 측정하여 얻은 측정치를 나타낸 그래프이다. 도 11에서 볼 수 있듯이, 메시 차폐전극(26)으로 촛불이 가까이 배치될 때 센서(10)의 출력 단자(18)에서 DC 오프셋은 증가한다. DC 신호는 센서(10) 내에 바이어스 저항(Rbias)에 포함된 DC 방전 경로의 존재로 인해 수 초가 지나면 안정화됨을 볼 수 있다. 촛불이 10초 이후에 꺼지게 되면, DC 신호는 수 초 내로 급격하게 감소함을 볼 수 있다.

이온화 방사선의 직접적인 검출

도 12는 다양한 시간 간격에 따라 알파 입자 소스로부터 방사되는 알파선의 검출을 나타낸 그래프를 도시한다.

아메리슘 동위 원소(241 A, Isotope) 형태의 아메리슘은 이온화 연기 탐지기에 일반적으로 사용되는 α-방출기이다. 그것은 특정 외부의 영향에 관계없이 방사성 붕괴에 의해 α 입자를 생산한다. 241 아메리슘 소스는 양의 대전입자 스트림을 생성하는 이온전류의 점원으로 간주될 수 있으며, 이 스트림은 공기 중에 일반적으로 수 cm 정도의 범위에 존재한다. 만약 아메리슘 소스가 하우징(24)의 외부에서 대전입자 센서(10)와 전술한 범위 내에 위치하게 된다면, 대전입자는 메시 차단 전극(26)을 통과하여 검출전극(14)으로 입사된다. 이에 따라 검출전극(14)과 증폭기(30)의 입력은 유한한 전위까지 충전된다. DC 신호는 센서(10) 내 증폭기(30)의 출력단자(18)에 생성된다.

도 12는 아메리슘 소스를 메시 차폐전극(26) 가까이 위치시키고, 점진적으로 소스와 센서(10)를 세가지 서로 다른 상대 거리로 떨어뜨렸을 때의 결과를 도시한 도면이다. 각각의 경우에, 소스는 새로운 위치로 배치된 후, 센서(10)의 출력이 일정한 DC 수준으로 될 때까지 유지된다. 도 12에서 세 번의 안정한 상태를 확인할 수 있다. 도시된 바와 같이, 각각의 경우에 센서 (10)의 출력 전압은 새롭고, 보다 적게 음 전위화되는 수준에서 안정화된다.

대전되지 않은 입자 및 전자기 방사선의 검출

본 발명은, 상대적으로 적은 변형으로, 중성자 등과 같은 대전되지 않은 입자 및 중성 감마선과 같은 전자기 방사선을 검출하도록 구성될 수 있다. 이러한 소스들은 대전되지 않았지만, 컨버터를 사용함으로써, 이온화 과정을 개시하고 이에 따라 대전입자 및 이온전류를 생성하기 때문에 본 발명의 일 실시예에 따라 검출될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 이러한 컨버터는 핵 또는 화학 반응을 통해 대전입자를 생성하기 위해, 센서 전극(14)에 적당한 표적 물질을 첨가함으로써 달성될 수 있다. 바람직하게는, 센서 내부로 효율적으로 전하가 전송되고 전류가 흐르도록 센서 전극(14)에 표적물질로 된 피막을 형성한다.

예를 들어, 중성자의 검출은 도 13에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 센서(100)에 의해 가능하다. 센서 전극(114)은 붕소와 같은 컨버터 물질의 층(70)으로 피막이 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 붕소의 동위원소(10B Isotope) 또는 자연 상태의 붕소를 농축시킨 것을 사용한다.

도 13에 도시된 센서(100)는 도 2에 도시된 센서(10)의 동일한 기본적인 회로 요소를 포함한다. 동일한 요소에는 동일한 도면 부호를 부여하며, 이에 대해 설명은 생략하기로 한다. 차이점은 센서 전극(114)에는 붕소 층(70)의 피막이 형성되는 점에 있다. 본 실시예에서, 원통형 함체(24) 및 메시 차폐전극(26) 모두는 각각 도선(72, 74)에 의해 접지선(40)과 연결된다. 이 때문에, 극성과 관계없이 대전입자로부터 발생하는 신호는 약화된다. 메시 차폐전극(26)을 통과하는 중성자는 붕소 층(70)에 부딪히게 되며, 리튬(Lithium)을 생성하고 대전된 알파 입자를 방출하기 위해 중성자와 붕소간에 핵반응이 발생한다. 알파 입자는 센서 전극(114) 상의 컨버터 물질(70)의 충전에 의해 수집된다.

본 실시예에서, 도 10을 참조하여 설명한 것과 동일한 과정이 본 발명에 따른 대전입자 센서의 근방에 대전입자 소스가 존재하는 경우에 일어날 수 있다. 그러나 이외에도 중성 입자 또는 방사선에 대하여 추가적인 프로세스가 도 14를 참조하여 이하에서 설명할 것과 같이 발생할 수 있다.

도시된 바와 같이, 대전입자 소스는 대기 중에 존재하는 하우징(24)의 외부에 위치하고, 입자 A는 메시 차폐전극(26)을 통해 하우징(24) 내부로 진입하여 검출전극(114)에 직접 부딪히며, 검출전극(114) 상의 컨버터 물질(70)을 충전한다. 하우징(24) 내에서 공기의 이온화 또한 발생하며, 이에 따라 양의 대전입자 및 음의 대전입자(B)가 발생한다. 이러한 것들은 메시 차폐전극(26)과 검출전극(114) 사이의 전기장에 의해 분리되며, 하나의 극성을 가진 입자(B)는 검출전극(114) 상의 컨버터 물질(70)을 충전한다. 게다가, 일부는 하우징(24) 외부에서도 공기의 이온화가 발생하며, 이에 따라 양의 대전입자 및 음의 대전입자(C)가 발생한다. 이들 중 일부는 메시 차폐전극(26)을 통해 하우징(24) 내부로 진입한다. 이러한 입자(C)는 또한 메시 차폐전극(26)과 검출전극(114) 사이의 전기장에 의해 분리되며, 컨버터 물질(70)의 충전을 유도하지만, 입자(B)의 경우보다는 효율이 떨어진다. 검출전극(114)에 부딪히는 입자는 이온화 방사선의 소스와 메시 차폐전극(26)과 하우징(24)에 존재하는 전위에 의존한다. 반대 부호(극성)의 입자들은 메쉬 차폐전극(26)과 하우징(24) 쪽으로 끌려가기 때문에 기본적으로, 전위와 같은 동일한 부호(전하 극성)의 입자가 우선적으로 검출된다. 검출전극(114)과 컨버터 물질(70)에 관한 한, 컨버터 물질(70)은 단일 캐패시터 판을 형성하는 검출전극(114)에 부착된 유전체 영역으로 간주될 수 있다. 유전체 순 전하(Net Charge)는 검출전극 (114)에 의해 픽업되고, 입력 전류 (신호)가 발생하도록 한다.

게다가, 중성입자 또는 방사선(D)는 대전입자를 생성하기 위해 컨버터 물질(70)과 상호작용을 한다. 컨버터 물질(70) 내에서 중성 입자의 변환이 발생하고, 대전된 생성물은 컨버터 물질의 표면을 벗어나지 않는다. 이러한 대전된 생성물은 또한 메시 차폐전극(26)과 검출전극(114) 사이의 전기장에 의해 분리되어, 검출전극(114) 상에서 순 신호(Net Signal)를 생성하게 된다..

따라서, DC 평균 전압신호는 다음으로부터 유도될 수 있다.

1. 수집 전극으로 직접 충돌하는 대전입자

2. 하우징 내부 또는 외부에서 이온화 과정으로부터 생성된 ‘파생’ 이온화 생성물

3. 피막이 형성된 전극과 중성의 방사선 또는 입자와의 상호작용의 결과

예를 들어, 알파 및 베타 입자와 같은 대전입자의 직접적인 검출은 중성 입자 및 방사선처럼 컨버터 물질을 사용함으로써 가능해진다.

전술한 바와 같이, 다른 대전입자가 존재하는 경우, 그것은 피막을 이루는 물질에 의해 발생되는 이온화 과정의 산물이 아닐 수 있는데, 이는 붕소 층(70)에 중성자가 부딪히며 발생하는 핵 반응의 결과로 생성되는 신호인지, 아니면 센서 전극(114)에 직접적으로 다른 대전입자가 부딪힘으로써 발생하는 신호인지 구별할 필요가 있다.

다른 대전입자에 의한 신호와 중성자 신호를 구별하는 데는 두 가지 방법이 이용될 수 있다.

첫 번째로, 도 15에 도시된 바와 같이, 센서 전극(114)에 입사될 수 있었을 모든 대전된 입자를 수집하기 위해, 도 13에 도시된 센서장치는 피막이 형성된 센서 전극(114)의 붕소 층(70)의 바로 앞에 접지된 금속박 전극(80)을 배치하여 구성될 수 있다. 금속박 전극(80)은 메시가 아닌 박(Foil)으로 구성되었기 때문에, 대전입자가 통과하지 못한다. 이와는 대조적으로 중성자는 전형적으로 고체 재료의 수 cm단위 까지를 통과할 수 있기 때문에, 중성자는 대부분의 얇은 금속 재료를 통과하는 반면, 대전입자는 금속박을 사용하여 쉽게 정지시킬 수 있다. 금속박 전극(80)은 보편적으로 순수 알루미늄 박으로 구성될 수 있다. 재료의 거시적인 총 단면적은 역 길이의 단위를 가지며, 특정 입자 및 특정 표적 물질에 대한 상호 작용의 가능성을 제공한다. 입자를 검출할 가능성은 표적 물질의 두께에 대하여 기하급수적으로 감소하며, 이에 따라 더 높은 에너지의 입자만이 두꺼운 막을 통과할 수 있도록, 금속박 전극(80)의 두께는 낮거나 높은 에너지의 중성자간에 차이를 둘 수 있도록 변화될 수 있다. 따라서 검출전극은 중성 입자/방사선으로부터 생성된 이온화 생성물만을 수집한다.

두 번째로, 도 16에 도시된 바와 같이, 도 13에 도시된 센서장치(100)는 중성자 검출기(100)와 함께 제 2 센서(10)를 첨가하여 구성될 수 있다. 여기서 동일한 구성에 대해서는 같은 도면 부호를 부여하였으며, 이에 대해서는 더 이상 설명하지 않도록 한다. 본 실시예에서, 센서(100)과 센서(10) 각각 출력 단자(180, 18)로부터 얻을 수 있는 두 개의 신호는 출력단자(280)에서 전체 출력을 얻기 위해 차동 증폭기(110)에 의해 감산된다. 보다 바람직하게는, 적절한 차등 감산을 제공하기 위해, 양 센서(100, 10) 내의 서로 대응되는 각각의 저항들은 동일한 저항이다. 중성자 검출기(100)는 대전입자와 붕소 층(70)과 중성자와의 상호작용에 의한 대전입자를 검출하는 반면, 센서(10)는 오로지 대전입자만을 검출하기 때문에, 감산 출력은 오직 중성자의 상호작용에 의한 신호만을 포함한다.

도 13 내지 16에 도시된 센서의 변형 또한 감마선을 검출하는 데 이용될 수 있다. 감마선의 경우, 감마선은 센서(10)의 디스크 전극(14)의 금속 또는 중성자 검출기(100)의 붕소 층(70) 어떤 것과도 일정한 정도 이상으로 상호작용하지 않는다. 그러나 충분한 에너지의 감마선이 조사되는 경우 핵 반응에 의한 대전입자의 이차 방출을 생성하기 위해, 붕소 층(70) 대신에 전극에 피막을 형성할 재료로 대안 컨버터 또는 표적 물질이 선택될 수 있다. 예를 들어, 텅스텐 또는 니오븀과 같은 높은 원자번호의 표적 물질이 선택된 경우, 감마선과 상호 작용을 할 재료의 단면, 즉, 감마선과 표적 물질 간의 상호 작용의 가능성이 현저하게 증가된다. 즉, 높은 원자번호를 가질수록 높은 민감도를 가진다. 원칙적으로 어떠한 재료도 사용될 수 있지만, 원자번호가 낮은 재료는 보다 덜 효과적이며, 달리 말하면 원자번호가 낮은 재료를 사용하는 경우, 훨씬 더 두꺼운 블록의 컨버터 물질이 요구된다. 이러한 피막에 충돌하는 감마선은 이차 전자를 생성하고 결과적으로 핵 반응을 일으키며, 이는 기 설명한 바 대로 센서 전극(114)에 의해 감지될 수 있다. 다시 말하면, 도 15 또는 16에 도시 된 것과 유사한 장치는 대전입자 및 감마선을 구별하는 데 이용될 수 있다.

붕소와 텅스텐은 컨버터 물질로서 사용될 수 있는 유일한 재료가 아니다. 검출되는 방사선 또는 입자의 성질에 따라 대전입자를 생산하는 다른 유사한 물질이 사용될 수 있다.

게다가 본 발명의 다른 일 실시예는 중성 입자와 중성 방사선의 상호작용으로 대전입자를 생성하기 위해 핵 반응 대신 화학적 반응을 이용할 수 있으며, 이에 따라 그러한 방사선과 중성 입자들을 검출할 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 센서의 일 예는 센서 전극 (114) 상에 적당한 피막을 형성함으로써, 입사 광을 검출한다. 여기서, 광 센서(120)는 대전된 입자에 대한 민감도를 최소화하기 위해 원통형 함체(24)와 메시 차폐전극(26) 모두를 접지한 센서 전극(114) 상에 주석 산화물 층(90) 피막을 형성함으로써 만들어진다. 또한, 동일한 구성에 대해서는 같은 도면 부호를 부여하였으며, 이에 대해서는 더 이상 설명하지 않도록 한다.

전술한 바대로, 본 실시예는 도 15 또는 16에 도시된 장치가 변형되어 사용될 수 있다. 후술할 일 실시예를 보면, 차동 구성은 광 민감성 피막(90)없이 대전입자 센서(10)를 이용한다. 차동 시스템은 잔류 대전입자 신호를 빼고 피막(90)에서의 광 상호작용으로 인해 발생하는 신호만을 출력으로 제공한다.

시험에서, 입사광에 대한 산화 주석의 응답은 도 17에 도시된 센서(120)를 이용하여 관찰되며, 그 결과는 도 18에 도시된 그래프와 같이 나타난다. 여기서, 백색 LED로 구성된 냉 광원은, 데이터 포인트(1500)에서 켜진다. 센서의 출력은 증가하며, 수 초 후에 안정화된다. LED는 데이터 포인트(9900)에서 꺼지며, 이후 신호(센서의 출력)는 감소한다. 도 11에서 볼 수 있듯이, 도 11의 곡선과 전체적으로 유사한 형상의 곡선을 얻을 수 있다.

설명된 바와 같이, 평면 디스크 형태의 전극과 평행 디스크 형태의 메시 전극을 가진 본 발명은 종래의 이온화 챔버보다 본질적으로 더 높은 정전용량 구조를 가지며, 이온전류로 인한 신호와 전기장으로 인한 신호 간에 구별이 가능하며, 가스 상태, 진공 상태, 액체 상태 또는 고체 상태와 같은 이온전류를 검출하고 측정할 수 있는 대전입자 센서를 제공한다.

본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

예를 들어, 대전입자를 검출하기 위해 피막을 형성하지 않은 전극을 포함할 수 있으며, 진공 상태에서 센서 외부에 있는 아메리슘(241 Am) 소스로부터 방사하는 알파 입자의 직접적인 검출도 가능할 수 있다. 또한 공기 분자의 2차 이온화는 아메리슘(241 Am) 소스와 센서를 포함하는 챔버를 배기(Evacuating)함으로써 제거될 수 있다. 마찬가지로, 진공 상태에서 베타 입자의 직접적인 검출은 이러한 입자 및 센서의 소스 주변에 진공을 생성함으로써 가능할 수 있다.

컨터버 물질로 피막이 형성된 전극을 이용하는 본 발명의 실시예에서 241AM-BE (10 GBq) 소스로부터 발생하는 중성자의 검출은 카르보란(C2H12B10)으로 피막이 형성된 전극을 이용하여 가능할 수 있다. 또한 241AM-BE (18 GBq) 소스로부터 발생하는 중성자의 검출은 플루오르화 리튬(6LiF)으로 피막이 형성된 전극을 이용하여 가능할 수 있다. 전술한 예와 같이, 실제로 어느 하나의 컨버터 물질은 어느 하나의 소스와 함께 작동한다.

Claims

이온화 과정으로부터 발생하는 대전입자에 의해 생성되는 이온전류를 측정하고 검출하는 대전입자 센서에 있어서,
하우징(Housing);
상기 하우징으로 둘러싸여 있으며, 대전입자들을 수집하기 위한 검출전극; 및
상기 검출전극과 연결되어 입력으로서 DC 입력 신호를 수신하고, 출력으로서 DC 측정 신호를 제공하기 위한 전위계(Electrometer)를 포함하되,
상기 하우징은 외부 전기장으로부터 상기 검출전극을 차폐하여 외부 전기장에 대하여 상기 검출전극의 민감도(Sensitivity)를 감소시키기 위한 정전 차폐기를 포함하며,
상기 정전 차폐기는 상기 검출전극에 대향하는 제2전극으로서 제공되는 도전성 차폐시트를 포함하고, 상기 하우징 내부로 방사선의 진입을 허용하는 간극이 형성되어 있으며,
이온화 공정으로부터 발생하는 대전입자들 간의 전하 분리를 할 수 있도록, 상기 제 2 전극 및 상기 검출전극은 서로에 대해 바이어스 전압이 유지되어 이용되도록 배열되며, 상기 검출전극에 충돌하는 이온화 전류를 생산하는
것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제 1항에 있어서,
상기 전위계는,
내부로 입력 바이어스 전류를 공급하기 위한 DC 바이어스 저항을 포함하는 증폭기 회로; 및
상기 증폭기 회로에 대한 입력 임피던스를 증가시키고, 상기 증폭기 회로에 대한 감도를 향상시키기 위한 피드백회로를 포함하되,
상기 피드백회로는 상기 검출전극을 둘러싸는 가드(Guard) 및 상기 DC 바이어스 저항을 부트스트래핑(Bootstrapping)하기 위한 부트스트래핑 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 피드백 회로는,
상기 중폭기 회로의 이들을 조절할 수 있는 이득조절회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정전 차폐기는,
상기 검출전극을 감싸고, 기준 전위로 유지되는 도전성 함체(Enclosure)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제2항에 있어서,
상기 정전 차폐기는 상기 검출전극과 상기 가드를 감싸는 도전성 함체를 포함하며,
상기 제2 전극은 상기 도전성 함체의 개방된 부분을 가로질러 연장되며, 상기 검출전극과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 전극은 메시(Mesh)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제5항에 있어서,
상기 도전성 함체 및 상기 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제 5항 또는 제7항에 있어서,
상기 도전성 함체 및 제2 전극 중 적어도 하나는 상기 가드와 연결되는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도전성 함체 및 제2 전극 중 적어도 하나는 전위 소스(Source)와 연결되는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출전극은,
표면에 부딪히는 대전입자들을 수집하기 위해, 상기 제2 전극에 대향되는 도전성 표면을 갖는 평판 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하우징 내에 제공되며, 상기 제2 전극과 상기 검출전극 간에 전하 분리를 위한 대전입자와 상기 검출전극에 의해 수집되는 이온전류를 생성하기 위해, 상기 도전성 차폐 시트를 통해 상기 하우징으로 진입하는 중성의 방사선과 반응하여 이온화 과정을 발생시키기 위한 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검출전극은,
상기 제2 전극에 대향되는 도전성 표면을 갖는 평판 전극을 포함하며,
상기 제2 전극과 상기 검출전극 간에 전하 분리를 위한 대전입자와 상기 검출전극에 의해 수집되는 이온전류를 생산하기 위해, 상기 표면은 상기 제 2 전극을 통과하는 중성 방사선과 화학 반응 또는 핵 반응에 의해 상호 작용하는 물질로 피막(Coating)이 형성된 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제 12항에 있어서,
상기 피막을 형성한 물질은,
붕소, 텅스텐 및 광 민감성 물질 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
제12 또는 제 13항에 있어서,
상기 평판 전극의 피막이 형성된 표면의 전방에 추가적인 전극으로서 배치된 금속박 쉴드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
센서 시스템에 있어서,
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 제1 대전입자 센서와 그와 동일한 다른 하나의 대전입자 센서를 포함하되,
두 개의 대전입자 센서는 차동 출력을 공급하기 위해 차동 구성으로 연결되는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
중성의 방사선 및 입자를 검출하는 대전입자 센서에 있어서,
검출전극;
상기 검출전극과 연결되어 입력으로서 검출 입력 신호를 수신하고, 출력으로서 DC 측정 신호를 제공하기 위한 입력을 갖는 전위계; 및
외부 전기장으로부터 검출전극을 차폐하기 위해 상기 검출전극을 감싸며, 이에 따라 외부 전기장에 대하여 상기 검출전극의 민감도를 감소시키기 위한 정전 차폐기를 포함하되,
상기 정전 차폐기는 방사선이나 입자가 통과할 수 있도록 많은 구멍을 포함한 도전성 물질의 차폐 시트를 포함하며, 제2의 전극으로 동작하도록 배열되며,
상기 검출전극은 피막이 형성된 평평한 표면을 가지며, 상기 피막은 화학 반응 또는 핵 반응에 의해 대전입자를 생성하기 위해 방사선과 입자간에 상호작용이 일어나도록 배치되는 것을 특징으로 하는 대전입자 센서.
대전입자에 의해 성성되는 이온화 전류를 센싱하는 방법에 있어서,
외부 전기장으로부터 검출전극을 차폐하여 외부 전기장에 대하여 검출전극의 민감도를 감소시키기 위해 정전 차폐 수단을 이용하여 상기 검출전극을 둘러 싸는 과정, 여기서 상기 정전 차폐기는 상기 검출전극에 대응하는 제2전극으로서 제공되는 도전성 차폐시트를 포함함,
상기 도전성 차폐 시트를 통해 방사선을 통과시키고 상기 검출전극으로 충돌하는 이온화 전류를 생산하기 위해 상기 제2 전극과 상기 검출전극간에 전하를 분리하는 과정; 및
상기 검출전극에 연결되어 입력으로서 DC 입력 신호를 수신하고, 출력으로서 DC 측정 신호를 제공하는 전위계를 사용하는 과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화 전류 센싱방법.
중성의 방사선 및 입자를 검출하는 방법에 있어서,
외부 전기장으로부터 검출전극을 차폐하여 외부 전기장에 대하여 상기 검출전극의 민감도를 감소시키기 위해 정전 차폐 수단을 이용하여 상기 검출전극을 감싸는 과정, 여기서 상기 정전 차폐 수단은 상기 검출전극에 대응하는 제2전극으로서 제공되는 도전성 차폐시트를 포함함,
상기 도전성 차폐 시트를 통해 중성자 또는 방사선을 통과시키는 과정;
화학 반응 또는 핵 반응에 의해 대전입자를 생성하기 위하여 피막이 형성된 검출전극 상에서 중성자 또는 방사선이 상호작용을 하는 과정;
상기 검출전극에서 상기 대전입자를 수집하는 과정; 및
상기 검출전극에 연결되어 입력으로서 DC 입력 신호를 수신하고, 출력으로서 DC 측정 신호를 공급하는 전위계를 사용하는 과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 중성의 방사선 및 입자 검출방법.