국 문 요 약



생활 방사선 측정을 위한 방사선 센서 모듈 개발에 관한 연구


논문 제출자 이 주 현
지 도 교 수 이 승 호





본 논문에서는 생활주변의 방사선 측정을 위해 보편적으로 사용되는 GM Tube 센서를 대신하여 민감도가 높고 가격이 저렴한 PVT 유기 섬광체 방식의 반도체 방사선 검출 모듈 개발을 제안한다. GM Tube 센서는 세계적으로 가장 많이 사용하고 있는 방사선 검출 센서이나 생활 방사선을 신뢰도 있게 측정하기 위한 용도로서는 가격이 고가이어서 범용적으로 사용하기에 어려움이 있으며, 센서의 수명이 있어 산업 및 의료 목적으로 사용하는 경우에 상대적으로 짧은 시간내에 센서를 교체해야 하는 단점이 있다. 따라서 유기 섬광체인 PVT(Polyvinyl Toluene) 섬광체에 SiPM(Silicon Photomultiplier)을 적용하여 보편적으로 사용되는 GM Tube 센서보다 성능이 뛰어나며, 기존의 동급 센서에 비해 현격히 낮은 가격으로 제작될 수 있는 반도체 기반 PVT 섬광형 검출방식인 생활 방사선 측정을 위한 방사선 센서 모듈을 개발하는 데 목적을 둔다.
제안된 방사선 센서 모듈 개발은 섬광체부, SiPM부, 증폭기 및 비교기부, 고전압 발생부 등의 4가지로 구성된다.
섬광체부는 외부로부터 센서 모듈로 방사선이 입사되면 섬광이 발생하도록 중합반응에 의해 섬광물질이 함유된 유기물질인 PVT 섬광체를 사용하여, 섬광체 내에 미세한 섬광을 발생하도록 한다. 섬광체는 방사선 에너지의 섬광효율이 높아야 하며, 섬광에 대한 투명도가 높아야 한다. 또한 섬광의 감쇄 시간이 짧아야 하고, 섬광의 파장분포가 광센서의 분광 감도 특성에 적합해야 한다.
SiPM부는 섬광체로부터 발생된 미세한 섬광을 약 106배 증폭하여 전기신호로 변환하도록 하며, 일반적으로 APD(아발란치 포토 다이오드) 배열을 기반으로 하는 고체상태의 단일 광자 감지 광 다이오드이다. SiPM은 이러한 APD가 순차적으로 연결되어서 각각의 다이오드가 가이거 모드로 동작하면서 모든 디바이스의 반응 신호가 하나의 센서로 동작된다. SiPM은 디지털 스위칭 모드로 동작하지만 SiPM이 구성되는 셀에는 약 10,000개 이상의 독립적인 APD가 병렬로 구성되어 동작하기 때문에 아날로그 장치라고 표현하기도 한다.
증폭기 및 비교기부는 SiPM부에 의해 만들어진 전기신호가 정상적인 신호 이외에도 열잡음(thermal noise)이 발생되어 정상적인 신호와 잡음이 혼재되어 나타나게 된다. 따라서 필터를 통해 잡음 발생을 최대한 감소시키고 신호를 일정한 크기로 증폭시키고 전기 신호를 디지털 펄스로 출력한다.
고전압 발생부는 부스트 스위칭 레귤레이터를 사용하여 3V의 공급전원을 30V의 고전압으로 생성한다. 본 논문에서 제안된 고전압 발생부는 광센서에 기존의 광전자 증배관에 비해 1/70 ~ 1/60 정도로 낮은 전압인 20 ~ 100V 사이의 전압을 공급하여, SiPM을 안정적으로 동작시킨다. 제공되는 전압에 영향을 주는 회로 및 전원 잡음 등이 SiPM의 안정적인 신호 출력에 무척 중요한 변수로 동작하게 된다. 따라서 SiPM을 위한 고전압 발생블록의 회로 설계 및 주변 회로와의 간섭, 주 전원을 AC 전원의 공급을 통해 DC 전원으로 변환하여 공급하는 조건, 전원 잡음을 최소화하기 위해 배터리를 전원으로 사용하는 등 다양한 잡음감소를 위한 방법을 사용한다.
본 논문에서 제안된 생활 방사선 측정을 위한 방사선 센서 모듈의 성능 및 선형성 등을 평가하기 위해 자체적으로 테스트 베드를 구성하여 평가하였다. 테스트 결과 민감도 면에서는 보편적으로 사용하고 있는 방사선 검출 센서인 GM Tube 센서 LND713에 비해 7 ~ 14배, LND71215에 비해 2 ~ 5배이상 높은 민감도를 가짐을 확인하였다. 거리에 대한 방사선 측정을 통한 선형성에서도 평균 ±8.7 % 이하의 오차가 측정되어서, 일반적인 GM Tube 센서가 가지는 평균 오차 ±18.6 %에 비하여 우수한 성능을 나타내었다. 기존의 무기 섬광체 방식의 방사선 측정 장치와의 비교 결과 민감도에서는 다소 떨어지는 면이 있으나, 선형성 및 측정오차 등에서는 대체로 유사한 결과가 도출되었다. 한편, 가격 면에서는 본 논문에서 개발한 유기 섬광체 방식의 방사선 측정 장치가 월등히 저렴하기 때문에 생활 방사선 측정 장치에 적합하다고 판단되었다. 또한 기존의 유기 섬광체 방식의 방사선 측정 장치는 대용량, 대면적의 방사선을 측정하는 용도로 사용되고 있기 때문에 소형의 생활 방사선 측정 장치에 적용한 사례가 없다. 따라서 본 논문에서 개발한 유기 섬광체 방식의 방사선 측정 장치는 소형의 생활 방사선 측정 장치에 최초로 적용한 사례가 된다.