KR101051126B1 - 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기 및 이를 이용한 방사성 핵종 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기 및 이를 이용한 방사성 핵종 검출 방법으로서, 더욱 상세하게는 플라스틱 섬광체를 통해 검출된 방사선의 에너지 스펙트럼을 에너지 레벨에 따라 다수의 구간으로 분할하여 각 구간에서의 계수 밀도값을 상대적으로 비교하는 에너지 레벨 분석을 통하여, 방사선을 방출하는 방사성물질에 대한 정보를 효율적으로 얻을 수 있는 방사선 검출기 및 이를 이용한 방사성 핵종 검출 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기는, 입사된 방사선을 가시광선으로 변환시켜주는 플라스틱 섬광체와, 상기 플라스틱 섬광체에 연결되어 상기 플라스틱 섬광체에서 발생된 가시광선을 집속하여 전기적 신호로 변환하는 광증배관으로 구성된 다수의 섬광체 검출기 모듈과; 상기 다수의 섬광체 검출기 모듈에 동시에 연결되어, 상기 각 섬광체 검출기 모듈의 광증배관으로부터 수신되는 신호를 합산하여 노이즈를 제거하고 신호를 증폭시키는 전기신호 처리부와; 상기 전기신호 처리부에 연결되어 상기 전기신호 처리부로부터 수신되는 신호로부터 입사 방사선의 에너지 스펙트럼을 생성하고, 상기 생성된 에너지 스펙트럼을 에너지 레벨에 따라 다수의 하부 영역으로 분할하여 최대 계수 밀도를 가지는 영역대를 산출하는 과정을 통해 방사성물질을 판별하는 에너지 분석부;를 포함하여 구성되는 점을 특징으로 한다.

플라스틱 섬광체, 방사선 검출기, 콤프턴 산란, 콤프턴 에지, 에너지 스펙트럼, 방사성 핵종 검출

Description

플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기 및 이를 이용한 방사성 핵종 검출 방법{A radiation detector based on plastic scintillator and the radionuclide-detection method using the same}

본 발명은 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기 및 이를 이용한 방사성 핵종 검출 방법으로서, 더욱 상세하게는 플라스틱 섬광체를 통해 검출된 방사선의 에너지 스펙트럼을 에너지 레벨에 따라 다수의 구간으로 분할하여 각 구간에서의 계수 밀도값을 상대적으로 비교하는 에너지 레벨 분석을 통하여, 방사선을 방출하는 방사성물질에 대한 정보를 효율적으로 얻을 수 있는 방사선 검출기 및 이를 이용한 방사성 핵종 검출 방법에 관한 것이다.

방사선 검출기는 방사선량을 측정하거나 혹은 방사선 에너지를 측정하는 장치로서, 사용되는 물질에 따라 가스 검출기, 섬광체 검출기, 반도체 검출기 등으로 구분될 수 있다. 그 중 섬광체 검출기는 섬광체 물질의 여기 작용을 이용하여 입사되는 방사선을 빛으로 변환하고, 변환된 빛을 광증폭관(PhotoMultiplier Tube; PMT)을 통해 전기 신호로 변환하여 처리하는 방식이다.

섬광체 검출기에 사용되는 섬광체의 종류로는 유기물(organic) 섬광체와 무 기물(inorganic) 섬광체가 있는데, 최근 저비용, 대면적의 방사선 검출기를 구현하기 위하여 유기물 섬광체의 하나인 플라스틱 섬광체가 많이 사용되고 있다. 이는 플라스틱 섬광체를 사용하게 되면 저비용으로도 방사선의 감도가 높은 대면적의 검출기를 제작하는 것이 가능하기 때문이다.

이러한 플라스틱 섬광체는 그 밀도가 낮기 때문에 입사되는 방사선과의 반응에 있어서 광전흡수반응(photoelectric absorption reaction)보다는 주로 콤프턴 산란(compton scattering)이 일어나기 때문에, 입사 방사선의 에너지를 결정할 수 있는 상세한 정보를 얻을 수 없다. 다시 말해, 플라스틱 섬광체는 주로 광전흡수반응을 통해 방사선을 검출하는 섬광체 물질인 NaI, 혹은 반도체 검출기인 HPGe 등에 비해 에너지 분해능이 떨어지므로 입사 방사선에 대한 한정적인 에너지 정보만을 제공한다.

따라서, 플라스틱 섬광체를 이용하는 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기(plastic scintintillator-based radiation detector)는 입사 방사선에 대한 정확한 에너지 정보를 가지는 에너지 스펙트럼을 제공하기 어렵다. 반면에, 이러한 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기는 입사 방사선에 대한 감도(sensitivity)가 좋기 때문에 일반적으로 방사선 에너지를 분석하기 위한 목적보다는, 방사선을 양적으로 계수하기 위한 전 계수기(gross counter)로써 널리 사용되고 있다.

도 1은 종래의 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기로 측정된 일부 핵종의 에너지 스펙트럼을 보여주는 그래프로서, 플루토늄(Pu), 고농축우라늄(High Enriched Uranium; HEU) 및 백그라운드 방사선(background radiation)의 에너지 스 펙트럼을 나타내고 있다.

도 1에서 알 수 있듯이, 고 에너지 영역(250 채널 이상)에서는 Pu, HEU 및 백그라운드 방사선의 스펙트럼이 모두 유사한 패턴을 가지고 있지만, 저·중 에너지 영역에서는 Pu 및 HEU의 스펙트럼과 백그라운드 방사선의 스펙트럼 사이에 부분적으로 차이가 존재한다.

종래의 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 이용한 에너지 레벨 분석 방법은, 검출된 에너지 스펙트럼을 몇 개의 영역(예를들면, 저·중·고의 3개 에너지 영역)으로 나누고, 각 영역에서 방사성물질의 스펙트럼 패턴을 백그라운드 방사선의 스펙트럼 패턴과 비교함으로써 해당 방사성물질의 핵종을 구분하여 왔다.

그러나 이러한 종래의 방식은 다음과 같은 두 가지 문제점이 있다.

첫째는 분석의 어려움이다. 도 1을 예로 들면, HEU의 경우 에너지 검출 효율 및 정확도의 한계로 인해 그 에너지 패턴이 백그라운드 방사선과 큰 차이를 보여주지 못하며, 그나마 에너지 패턴의 차이가 나는 저에너지 영역의 일부 영역에서도 다른 핵종인 Pu과 비슷한 에너지 레벨을 보여주고 있어 정확한 핵종 판별이 어렵다는 문제가 있다. 특히, 본 발명에서 탐지 목표로 삼고 있는, 후술하여 설명할 도 2의 각종 핵종에 있어서도 이와 같은 문제가 여전히 존재하기 때문에 방사능테러 등의 예방을 위해 다양한 방사성 핵종을 검출 및 구별하는 데에는 한계가 있다.

둘째는 감지면적(sensing area)의 향상이 어렵다는 점이다. 검출기 감도를 향상시키기 위해서는 먼저 입사 방사선에 대한 감지 면적이 커야 한다. 감지 면적을 크게 하기 위해 플라스틱 섬광체, 광증배관(photomultiplier tube, PMT) 및 전 자회로로 구성된 섬광체 검출기 모듈을 기존 시스템에 새롭게 추가하여야 하는데, 이렇게 새로운 장치를 추가하면 각 부품들의 특성 차이 때문에 동일한 방사선이 조사된다고 하더라도 동일한 특성을 가진 에너지 스펙트럼을 얻을 수 없다. 만약 다른 플라스틱 섬광체에서 얻은 각기 다른 모양을 가진 스펙트럼을 통합하면 스펙트럼 모양이 심하게 왜곡되어서 그 스펙트럼 모양을 분석하여 방사성물질을 결정할 수 없다. 즉, 종래의 에너지 레벨 분석 방법을 사용하는 경우에는 단순히 섬광체 검출기 모듈을 기존 시스템에 추가하여 반응 단면적을 높이는 방법으로는 방사성 검출기의 전체 감도를 높이는데 한계가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 플라스틱 섬광체를 통해 검출된 방사선의 에너지 스펙트럼을 에너지 레벨에 따라 다수의 구간으로 분할하여 각 구간에서의 계수 밀도값을 상대적으로 비교하는 에너지 레벨 분석을 통하여, 방사선을 방출하는 방사성물질에 대한 정보를 효율적으로 얻을 수 있는 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기 및 이를 이용한 방사성 핵종 검출 방법을 제공하는 데에 있다.

또한, 스펙트럼 채널을 일치시키는 번거로운 작업 없이 다수의 플라스틱 섬광체를 병렬적으로 구성하여 입사 방사선에 대한 감지 면적을 증가시킴으로써 검출기의 탐지 능력을 용이하게 향상시키는 데에 또다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 입사된 방사선을 가시광선으로 변환시켜주는 플라스틱 섬광체와, 상기 플라스틱 섬광체에 연결되어 상기 플라스틱 섬광체에서 발생된 가시광선을 집속하여 전기적 신호로 변환하는 광증배관으로 구성된 다수의 섬광체 검출기 모듈과; 상기 다수의 섬광체 검출기 모듈에 동시에 연결되어, 상기 각 섬광체 검출기 모듈의 광증배관으로부터 수신되는 신호를 합산하여 노이즈를 제거하고 신호를 증폭시키는 전기신호 처리부와; 상기 전기신호 처리부에 연결되어 상기 전기신호 처리부로부터 수신되는 신호로부터 입사 방사선의 에너지 스펙트럼을 생성하고, 상기 생성된 에너지 스펙트럼을 에너지 레벨에 따라 다수의 하부 영역으로 분할하여 최대 계수 밀도를 가지는 영역대를 산출하는 과정을 통해 방사성물질을 판별하는 에너지 분석부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 제공한다.

또한, 본발명은 검출된 방사선의 측정 신호로부터 에너지 스펙트럼을 생성하는 에너지 스펙트럼 생성 단계와; 상기 생성된 에너지 스펙트럼의 에너지 구간을 기설정된 소정 개수로 분할하는 에너지 구간 분할 단계와; 상기 분할된 각 에너지 구간별로 각각의 에너지 구간별 계수치를 합산한 후 그 값을 구간별 에너지 범위로 나누어 각 구간별 계수 밀도(count density)를 계산하고, 계산된 계수 밀도값 중에서 최대값을 가지는 에너지 구간을 결정하는 최대 계수 밀도 구간 결정 단계와; 상기 결정된 에너지 구간에서 콤프턴 에지(compton edge)가 나타나는 핵종을 검출된 방사선을 방출하는 방사성물질로 판별하는 방사성 핵종 판별 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 이용한 방사성 핵종 검출 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기 및 이를 이용한 방사성 핵종 검출 방법은, 감도가 높은 플라스틱 섬광체를 이용하여 효율적이고 정확한 에너지 레벨 분석을 수행함으로써, 기존의 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기에서는 얻을 수 없는 방사성물질에 대한 정보를 신속하고 정확하게 제공해 줄 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 다수의 섬광체 검출기 모듈을 단순히 추가하는 저비용의 간편한 방식으로 방사성물질 탐지 능력을 대폭 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 종래의 방사성 핵종 검출 방법에서 사용하는 스펙트럼 패턴 비교 방식 대신, 플라스틱 섬광체를 통해 수집된 에너지 스펙트럼을 에너지 레벨에 따라 다수의 하부 영역으로 분할하여 계수치의 피크값이 나타나는 영역대를 찾아내는 방법을 이용함으로써, 특정 영역대에서 감마선의 콤프턴 산란에 의한 계수치의 피크가 나타내는 방사성물질의 고유 특성을 이용하여 핵종을 구분하는데, 본 발명에 대한 상세한 설명에 앞서 콤프턴 산란시 방사성물질이 보여주는 에너지 스펙트럼의 고유 특성에 대하여 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명에서 탐지 목표로 선정한 방사성물질에 대한 에너지 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.

방사성물질에서 방출되는 감마선이 섬광체에 입사하게 되면 감마선이 플라스틱 섬광체의 전자와 충돌하여 산란 반응이 일어나며, 이와 같은 산란 반응에 의해 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 통해 얻어지는 방사선 에너지 스펙트럼에는, 도 2의 A 영역에서와 같이 검출 효율 수치가 피크를 이루는 콤프턴 에지(compton edge)가 나타난다. 즉, 각 방사성물질에서 방출되는 감마선은 섬광체에 입사하여 반응하면서 콤프턴 에지 근처에서 가장 많은 신호를 발생시키며, 이는 결 국 최종적으로 얻어지는 에너지 스펙트럼 상에서 검출 효율 또는 계수치의 피크값을 만들어내게 된다. 이와 같이 에너지 스펙트럼 상에서 컴프턴 에지가 나타나는 에너지 영역은 각 방사성물질의 종류에 따라 각각 다른 물질의 고유 특성이다. 본 발명은 이러한 방사성물질의 고유 특성을 이용하여, 에너지 스펙트럼을 다수의 에너지 영역으로 분할하고, 분할된 에너지 영역 중에서 계수 밀도(count density)의 최대값을 가지는 에너지 영역대를 산출함으로써 콤프턴 에지 영역을 판별할 수 있으며, 이로부터 방사성물질의 종류를 결정할 수 있다. 여기서, 계수 밀도란 각 구간별 계수치의 합을 간 구간의 에너지 범위로 나눈 값(단위:counts/Mev)으로 정의되며, 각 구간별 계수 밀도 산출을 통해 전체 구간 중 계수 밀도의 최대값을 가지는 구간이 컴프턴 에지 영역에 해당한다.

이와 같이, 본 발명에 따른 방사성 핵종 검출 방법은 에너지 스펙트럼을 백그라운드 방사선의 에너지 스펙트럼과 비교하는 기존의 방식을 사용하는 대신 에너지 스펙트럼 상에서 최대 계수 밀도값을 가지는 영역대만을 판별하므로, 감지 면적을 향상시키기 위하여 다수의 섬광체 검출기 모듈을 병렬적으로 구비하는 경우에도 각 섬광체 검출기 모듈의 신호 채널을 정확히 일치시킬 필요가 없는데, 이는 각 섬광체 검출기 모듈의 에너지 스펙트럼 하부 영역을 나누는 경계가 정확히 서로 일치하지 않더라도, 각 섬광체 검출기 모듈의 신호가 합산된 에너지 스펙트럼 상에서 영역별 계수 밀도값의 순위에는 변화가 없기 때문이다. 따라서, 다수의 독립적으로 존재하는 섬광체 검출기 모듈을 동시에 사용하거나 별도의 섬광체 검출기 모듈을 추가할 때, 각 섬광체 검출기 모듈의 신호 채널을 정확히 일치시키기 위한 정밀도 가 요구되는 번거로운 교정(calibration) 작업이 필요없어 용이한 시스템 구성이 가능하다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기는 플라스틱 섬광체(11, 12) 및 광증배관(21, 22)으로 구성된 다수의 섬광체 검출기 모듈(1, 2)과, 전기신호 처리부(30), 에너지 분석부(40) 및 운영 시스템(50)을 포함하여 구성된다.

플라스틱 섬광체(11, 12)는 입사된 방사선을 가시광선으로 변환시켜주며, 광증배관(21, 22)은 플라스틱 섬광체(11, 12)에 연결되어 플라스틱 섬광체(11, 12)에서 발생된 가시광선을 집속하여 전기적 신호로 변환한 후, 신호 처리의 용이성을 위해 변환된 전기 신호를 증폭하여 출력한다. 여기서, 플라스틱 섬광체(11, 12)의 두께가 작은 경우에는 방사선과의 반응율이 작고 반응에 의해 전달되는 에너지가 작아진다. 따라서, 특정 에너지 영역대에서 감마선의 콤프턴 산란에 의한 계수치의 피크를 나타내는 방사성물질의 고유 특성을 이용하여 핵종을 구분하는 본 발명에 적용하기 위해서는, 플라스틱 섬광체(11, 12)를 에너지 스펙트럼의 콤프턴 에지 영역 부근에서 가능한한 많은 반응이 일어나도록 방사선 입사 방향에 대하여 충분히 두꺼운 형태로 구비하여야 하며, 바람직하게는 2 cm 내지 10 cm 사이의 두께를 가지도록 구성하는 것이 좋다.

본 실시예에서는 상기 플라스틱 섬광체(11, 12) 및 광 검출기로 이루어진 섬광체 검출기 모듈(1, 2)을 다수 구비하여 전기신호 처리부(30)에 병렬적으로 연결하는데, 이와 같은 구조를 통하여 입사 방사선에 대한 감지 면적을 증가시키고, 검출기의 탐지 능력을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 기존의 일반적인 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기에 상기와 같은 구성의 플라스틱 섬광체 검출기 세트를 추가하여 방사선에 대한 감지 면적을 증가시키는 경우에도, 기존 검출기와 추가된 검출기의 스펙트럼 채널 일치 여부에 관계없이 정확도가 보장되기 때문에 검출기의 성능 향상을 용이하게 도모할 수 있다.

전기신호 처리부(30)는 각 섬광체 검출기 모듈(1, 2)의 광증배관(21, 22)에 동시에 연결되어, 각각의 광증배관(21, 22)으로부터 수신되는 신호를 합산하여 노이즈를 제거하고 노이즈 제거된 신호를 증폭시킨다.

에너지 분석부(40)는 전기신호 처리부(30)에 연결되어 전기신호 처리부(30)로부터 수신되는 전기 신호를 처리하여 플라스틱 섬광체(11, 12)로 입사된 방사선의 에너지 스펙트럼을 생성하고, 생성된 에너지 스펙트럼에 전술한 분석 알고리즘을 적용하여 방사성물질의 에너지 레벨을 결정하며, 이로부터 목표 방사성물질의 핵종을 판별한다. 여기서, 에너지 분석부(40)의 구체적인 에너지 레벨 분석 과정에 대해서는 후술하여 상세히 설명하기로 한다.

운영 시스템(50)은 에너지 분석부(40)에 연결되어, 에너지 분석부(40)에서 측정된 에너지 레벨 정보 및 방사성물질 정보를 수신하여 최종 사용자에게 디스플레이하며, 에너지 레벨 모니터링 결과 위험 방사성물질로 판별된 경우에는 화면 또 는 음향으로 경보 메시지를 발생시켜 즉각적인 대처가 가능하도록 해준다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 이용한 방사성 핵종 검출 방법에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 플라스틱 섬광체 기반 검출기는 NaI나 HPGe 등을 섬광체로 이용한 검출기와는 달리 에너지 분해능이 낮아 정밀한 핵종 분석에는 적합하지 않으나, 제한적인 일부 방사성물질을 높은 감도로 검출해야하는 방사능테러 탐지 장비에는 매우 유용하게 적용될 수 있다. 이는 방사능테러에 대비하기 위해 사용되는 검출기는 모든 핵종을 구분할 필요가 없고 다만 방사능테러에 사용될 가능성이 있는 일부 물질만 구분해내면 충분하기 때문이다. 따라서, 본 실시예에서는 감지 대상 방사성물질을 선정함에 있어 국내 방사성물질 이용 실태와 방사능테러 대비 등의 탐지 장비의 목적을 고려하였으며, 최종적인 감지 대상 방사성물질로 Co-57(Cobalt-57), U-235(Uranium-235), Ir-192(Iridium-192), Ba-133(Barium-133), Cs-137(Cesium-137), Du(Depleted Uranium), Nat.U(Nnatural uranium), Co-60(Cobalt-60)을 선정하였다. 이들 감지 대상 방사성물질은 각 방사성물질의 콤프턴 산란 특성에 따라 총 5개의 그룹으로 나뉘는데, 그룹1은 Co-57과 U-235, 그룹2는 Ir-192와 Ba-133, 그룹3은 Cs-137, 그룹4는 Du와 Nat.U, 그룹5는 Co-60으로 구성되며, 동일 그룹 내에 속한 방사선물질들은 방사선 에너지 스펙트럼 상의 동일 영역 또는 바로 인접한 영역 대에서 콤프턴 에지를 가지는 특성이 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 과정을 나타내는 순서 도이고, 도 5는 도 4에 도시된 핵종 판별 단계의 세부절차를 나타내는 순서도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 검출된 방사선 에너지 측정치를 백그라운드 방사선의 에너지 측정치와 비교하여 방사성물질에서 방출된 방사선이 입사되었는지를 판별한다(S10). 여기서, 아래의 수학식1을 만족하는 경우 입사된 방사선이 백그라운드 방사선이 아닌 방사성물질에서 방출된 방사선인지를 결정하게 된다.

측정치 ≥ N + 3σ

(여기서, N : 백그라운드 방사선의 평균 에너지 측정치, σ : 백그라운드 방사선 에너지 측정치의 표준 편차)

상기 S10 단계에서 통상의 백그라운드 방사선인 것으로 판별된 경우에는 방사선 측정을 계속 수행하고(S20), 반대로 방사성물질에서 방출된 방사선인 것으로 판별된 경우에는, 검출된 방사선의 측정 신호로부터 에너지 스펙트럼을 생성한다(S30).

이후, 상기 생성된 에너지 스펙트럼의 에너지 구간을 기설정된 소정의 개수로 분할한다(S40). 본 실시예에서는 앞서 설명한 각 감지 대상 방사성물질의 콤프턴 산란 특성을 고려하여 에너지 스펙트럼의 에너지 구간을 총 7개의 구간, 즉 0.02 MeV 이하(구간0), 0.02~0.13 MeV(구간1), 0.13~0.3 MeV(구간2), 0.3~0.6 MeV(구간3), 0.6~0.9 MeV(구간4), 0.9~1.2 MeV(구간5), 1.2~3.0 MeV(구간6)으로 나누었다. 이들 구간 중 구간1 내지 구간5는 각각 감지 대상 방사성물질을 분류한 G1 내지 G5 그룹에 일대일로 대응되는 구간으로서, 각 그룹의 방사성물질은 대응되는 특정 에너지 구간에서 콤프턴 에지가 발생하는 특징을 가지고 있으며, 구간6은 자연 상태에 존재하는 물질에서 방출된 방사선, 즉 백그라운드 방사선에 해당하는 구간으로서, 이러한 백그라운드 방사선을 방출하는 대표적인 물질로 K-40(칼륨-40)을 들 수 있다. 한편, 0.02 MeV 이하인 구간0는 방사선과 섬광체 물질이 반응해서 생성된 신호라기보다는 시스템 노이즈(퀀텀 노이즈 또는 전기적 노이즈)에 의해 발생신호로 볼 수 있으므로 이하의 스펙트럼 분석 과정에서 제외한다.

이후, 상기 분할된 각 에너지 구간별로 각각의 에너지 구간별 계수 밀도를 계산하고(S50), 계산된 계수 밀도 중에서 최대값을 가지는 에너지 구간을 결정함으로써, 섬광체에 입사된 방사선의 에너지 레벨을 분석한다(S60).

이어서, 상기 S60 단계를 통해 결정된 최대 계수 밀도를 갖는 에너지 구간에 대응하는 그룹의 핵종을 방사선을 방출한 방사성물질로 판별하게 되는데(S70), 그 세부적인 절차를 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 최대 계수 밀도를 갖는 에너지 구간이 구간1, 즉 0.02~0.13 MeV 구간인 경우, 구간2, 즉 0.13~0.3 MeV 구간에서의 계수 밀도의 구간1에서의 계수 밀도에 대한 비율을 산출하여, 상기 산출된 계수 밀도 비가 기설정된 기준치(0.8)를 초과하는지 비교한다(S71). 여기서, 그룹2에 속하는 방사성물질은 구간2에서 콤프턴 에지가 발생함에도 불구하고, 구간별 계수 밀도 계산시 구간1의 계수 밀도가 구간2의 계수 밀도보다 크게 나오는 특성이 있으므로, 최대 계수 밀도를 갖는 구간이 구간1인 경우 해당 방사성물질이 그룹1에 속한 것인지 그룹2에 속한 것인지를 명확히 구분하기 위해서는 상기 S71 단계를 통해 구간2와 구간1에서의 계수 밀도를 상대적으로 비교해야 한다.

상기 S71 단계에서 비교 결과가 기준치보다 크지 않은 경우, 방사선을 방출한 방사성물질이 그룹1에 해당하는 핵종, 즉 Co-57 또는 U-235인 것으로 판별하고(S72), 반대로 기준치보다 큰 경우, 그룹2에 해당하는 핵종, 즉 Ir-192 또는 Ba-133인 것으로 판별한다(S73).

한편, 상기 최대 계수 밀도를 갖는 에너지 구간이 구간3 내지 구간6인 경우, 각 구간에 대응되는 그룹의 핵종을 방사선을 방출한 방사성물질로 판별하게 된다. 즉, 구간3(0.3~0.6 MeV)인 경우 그룹3의 Cs-137로(S74), 구간4(0.6~0.9 MeV)인 경우 그룹4의 Du 또는 Nat.U으로(S75), 구간5(0.9~1.2 MeV)인 경우 그룹5의 Co-60으로(S76), 구간6(1.2~3.0 MeV)인 경우 백그라운드 방사선을 방출하는 물질(K-40)로(S77) 방사성물질을 판별할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

도 1은 종래의 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기로 측정된 일부 핵종의 에너지 스펙트럼을 보여주는 그래프.

도 2는 본 발명에서 탐지 목표로 선정한 방사성물질에 대한 에너지 스펙트럼을 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기의 구성을 나타내는 블록도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방사성 핵종 검출 과정을 나타내는 순서도.

도 5는 도 4에 도시된 핵종 판별 단계의 세부절차를 나타내는 순서도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 2 : 섬광체 검출기 모듈 11, 12 : 플라스틱 섬광체

21, 22 : 광증배관 30 : 전기신호 처리부

40 : 에너지 분석부 50 : 운영 시스템

Claims (8)

1. 플라스틱 섬광체 기반의 방사선 검출기에 있어서,

   입사된 방사선을 가시광선으로 변환시켜주는 플라스틱 섬광체와, 상기 플라스틱 섬광체에 연결되어 상기 플라스틱 섬광체에서 발생된 가시광선을 집속하여 전기적 신호로 변환하는 광증배관으로 구성된 다수의 섬광체 검출기 모듈과;

   상기 다수의 섬광체 검출기 모듈에 동시에 연결되어, 상기 각 섬광체 검출기 모듈의 광증배관으로부터 수신되는 신호를 합산하여 노이즈를 제거하고 신호를 증폭시키는 전기신호 처리부와;

   상기 전기신호 처리부에 연결되어 상기 전기신호 처리부로부터 수신되는 신호로부터 입사 방사선의 에너지 스펙트럼을 생성하고, 상기 생성된 에너지 스펙트럼을 에너지 레벨에 따라 다수의 하부 영역으로 분할하여 최대 계수 밀도(count density)를 가지는 영역대를 산출하는 과정을 통해 방사성물질을 판별하는 에너지 분석부;를 포함하여 구성되어,

   플라스틱 섬광체를 통해 검출된 방사선의 에너지 스펙트럼을 에너지 레벨에 따라 다수의 구간으로 분할하여 각 구간에서의 계수 밀도값을 상대적으로 비교하는 에너지 레벨 분석을 통하여, 방사선을 방출하는 방사성물질에 대한 정보를 획득할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 플라스틱 섬광체는,

   방사선 입사 방향에 대하여 2 cm 내지 10 cm 사이의 두께를 가지도록 구성되 는 것을 특징으로 하는 에너지 레벨 결정을 위한 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기.
3. 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 이용하여 방사성 핵종을 검출하는 방법에 있어서,

   검출된 방사선의 측정 신호로부터 에너지 스펙트럼을 생성하는 에너지 스펙트럼 생성 단계와;

   상기 생성된 에너지 스펙트럼의 에너지 구간을 기설정된 소정 개수로 분할하는 에너지 구간 분할 단계와;

   상기 분할된 각 에너지 구간별로 각각의 에너지 구간별 계수치를 합산한 후 그 값을 구간별 에너지 범위로 나누어 각 구간별 계수 밀도(count density)를 계산하고, 계산된 계수 밀도값 중에서 최대값을 가지는 에너지 구간을 결정하는 최대 계수 밀도 구간 결정 단계와;

   상기 결정된 에너지 구간에서 콤프턴 에지(Compton edge)가 나타나는 핵종을 검출된 방사선을 방출하는 방사성물질로 판별하는 방사성 핵종 판별 단계;

   를 포함하여 구성되어,

   특정 에너지 영역대에서 감마선의 콤프턴 산란(Compton scattering)에 의한 계수치의 피크가 나타나는 방사성 물질의 고유 특성을 이용하여 방사성 핵종을 판별하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 이용한 방사성 핵종 검출 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 에너지 스펙트럼 생성 단계 이전에,

   검출된 방사선의 에너지 측정치를 백그라운드 방사선의 에너지 측정치와 비교하여 입사된 방사선이 방사성물질에서 방출된 방사선인지, 또는 백그라운드 방사선인지를 판별하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 이용한 방사성 핵종 검출 방법.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 에너지 구간 분할 단계에서는,

   에너지 스펙트럼의 에너지 구간을 0.02 MeV 이하(구간0), 0.02~0.13 MeV(구간1), 0.13~0.3 MeV(구간2), 0.3~0.6 MeV(구간3), 0.6~0.9 MeV(구간4), 0.9~1.2 MeV(구간5) 및 1.2~3.0 MeV(구간6)으로 분할하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 이용한 방사성 핵종 검출 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 방사성 핵종 판별 단계에서는,

   상기 최대 계수 밀도 구간 결정 단계에서 결정된 에너지 구간이 구간3 내지 구간5 중의 어느 하나에 속하는 경우,

   상기 결정된 에너지 구간에서 콤프턴 에지가 나타나는 핵종을 검출된 방사선을 방출한 방사성물질로 판별하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 이용한 방사성 핵종 검출 방법.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 방사성 핵종 판별 단계에서는,

   상기 최대 계수 밀도 구간 결정 단계에서 결정된 에너지 구간이 구간1에 속하는 경우,

   구간2에서의 계수 밀도의 구간1에서의 계수 밀도에 대한 비율을 산출하고,

   상기 산출된 비율과 기설정된 기준치를 비교하여, 상기 산출된 비율이 기설정된 기준치보다 크지 않은 경우, 구간1에서 콤프턴 에지가 나타나는 핵종을 방사선을 방출한 방사성물질로 판별하고,

   상기 산출된 비율이 기설정된 기준치보다 큰 경우, 구간2에서 콤프턴 에지가 나타나는 핵종을 방사선을 방출한 방사성물질로 판별하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 이용한 방사성 핵종 검출 방법.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 방사성 핵종 판별 단계에서는,

   상기 최대 계수 밀도 구간 결정 단계에서 결정된 에너지 구간이 구간0 또는 구간6인 경우,

   입사되는 방사선을 백그라운드 방사선(background radiation)으로 판별하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 섬광체 기반 방사선 검출기를 이용한 방사성 핵종 검출 방법.

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