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KR20200007581A - 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기 및 이를 이용한 점검, 교정, 자동 출력안정화 방사선 계측 장치 - Google Patents

전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기 및 이를 이용한 점검, 교정, 자동 출력안정화 방사선 계측 장치 Download PDF

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KR20200007581A
KR20200007581A KR1020180081858A KR20180081858A KR20200007581A KR 20200007581 A KR20200007581 A KR 20200007581A KR 1020180081858 A KR1020180081858 A KR 1020180081858A KR 20180081858 A KR20180081858 A KR 20180081858A KR 20200007581 A KR20200007581 A KR 20200007581A
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한상효
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Abstract

본 발명에 따른 실시예는 방사선의 감지 또는 전자에 의한 기체 증폭이 일어나는 기체 영역(500)과, 기체 영역(500)에 전기장을 형성하거나 전자 및 양이온 신호를 검출하는 양극(300)과 음극(100)과, 기체 영역 내부에 전기장을 형성하도록 양극과 음극에 설정된 전원을 출력하는 전원 구동 수단(700) 및 내부에 광(810)을 조사하여 광전효과에 의한 광전자(820)를 발생시키는 전기적 광원(210)을 구비한 광 어셈블리(200);를 포함하고, 광전자(820)는 전원 구동 수단(700)에 의해 형성된 내부 전기장에 의해 양극(300)으로 이동되어 검출신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 제공할 수 있다.

Description

전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기 및 이를 이용한 점검, 교정, 자동 출력안정화 방사선 계측 장치{GASEOUS IONIZATION DETECTORS HAVING A ELECTRIC LIGHT SOURCE AND RADIATION MEASUREMENT APPARATUS HAVING FUNCTIONS OF DETECTOR CHECKING, CALIBRATION, AND AUTOMATIC OUTPUT STABILIZATION USING THE SAME}
본 발명은 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기 및 이를 이용한 점검, 교정, 자동 출력안정화 방사선 계측 장치에 관한 것이다.
방사선 계측장치는 원자력발전소, 의료시설, 비파괴업체, 방사성 동위원소 취급기관, 가속기 시설, 국방/민간/연구 분야 등에서 사용하고 있는 방사선감시설비 또는 방사선 계측기에 적용되고 있다. 주요 방사선 계측장치에서 사용되는 방사선 검출기는 기체 전리형 검출기, 섬광체 검출기, 반도체 검출기로서 분류될 수 있다.
이중에서 기체 전리형 검출기는 취급하기가 쉽고 방사선 계측성능이 우수하여 지역방사선감시기(Area Radiation Monitor), 서베이미터(Survey Meter), 중성자검출기, 방사능 오염검사기, 개인선량계 등 거의 모든 방사선 계측분야에서 적용되고 있다.
특히 기체 전리형 검출기의 형태는 검출 기체가 검출기에 밀봉된 형태인 기체 충전형(Gas Filled Type)과 검출기체가 검출기의 내외부로 유동하는 기체 유동형(Gas Flow Type)이 있다.
또한, 기체 전리형 검출기는 동작조건과 동작특성에 따라 전리함, 비례계수관, GM 계수관으로 구분될 수 있다.
이중에서 전리함은 기체 전리형 검출기 내부의 음극과 양극 사이에 형성된 전계(전기장)에 의해 상기 기체와 상호작용하여 생성된 전자 이온쌍만 각 전극으로 이동하며 수집되는 반면, 비례계수관이나 GM 계수관 등과 같은 기체증폭형 검출기는 더욱 강한 전계로 전자를 가속시켜 연쇄적인 기체 전리 현상(전자사태)을 일으켜 증폭된 전자 이온 쌍이 각각 양극과 음극에서 수집된다.
즉, 기체 전리형 검출기는 다양한 형태와 구성을 통하여 방사선 계측 분야에서 적용되고 있다.
아울러, 종래에는 위와 같은 기체 전리형 검출기에 대한 성능 점검 및 교정을 위한 기술을 제안하고 있다.
종래의 기체 전리형 검출기는 성능 또는 상태를 점검할 때 검출기 주변에 설치한 솔레노이드를 이용하여 감지 영역에 방사선 동위 원소를 위치시키거나, 검출기 내측에 방사선 동위원소(일명 'keep-alive source')를 고정시켜 백그라운드 방사선을 검출하는 방식으로 이루어 졌다.
하지만, 위와 같은 종래 기술은 방사성 동위 원소를 사용하는 경우 방사선 계측기 운영자의 방사성 동위 원소 취급에 따른 방사선 안전관리 업무가 수반됨에 따라 많은 시간과 비용이 발생되며, 방사성 동위원소 처분 시에는 환경 오염 문제를 유발 시킬 수 있다.
또한, 지역방사선감시기(Area Radiation Monitor) 등은 검출기 점검 시 차폐재 내부로 선원을 이송하기 위한 전기적 구동부가 추가로 필요하고, 전기적 구동부의 고장으로 방사선 계측설비 운영의 안정성 저하를 초래하기도 한다.
또한, 'keep-alive source’를 사용하는 기체 전리형 검출기는 검출기 내부의 고정선원에 의한 백그라운드 신호 값이 검출기 외부의 주변 방사선 신호 값 보다 높은 경우에는 주변 방사선을 정확히 측정할 수 없게 된다.
한편, 중성자 선원은 차폐와 취급이 어렵기 때문에 BF3 비례계수관이나 3He 비례계수관 등과 같은 중성자 검출기는 점검선원을 설치하여 사용할 수 없는 문제점도 있다.
즉, 기체 전리형 검출기는 음극과 양극 사이에 인가된 고전압과 음극과 양극의 기하학적 형태에 의하여 결정된 전기장의 세기로 전자 이온쌍을 수집하거나 전자를 가속시켜 기체증폭을 유도하기 때문에 검출기의 기하학적 구조를 변경하거나 수정하면 검출기의 감도가 떨어지거나 정상적인 동작이 불가능해진다.
또한, 기체 전리형 검출기 중 GM 계수관 등은 세정, 기체주입 및 기체봉입, 열처리, 전극 보호막 형성 등 복잡한 공정이 수반되며 이렇게 처리된 GM 계수관 내부 표면상태는 검출기 동작 시 검출기체와의 반응성 등 검출기 동작 및 안정성에 중요한 영향을 주게 된다. 따라서 기체 전리형 검출기는 인위적인 목적으로 검출기 내부물질 또는 내부 상태를 변형시킬 수 있는 추가적인 공정처리를 하는 것은 바람직하지 않다.
한국 공개 특허공보 제10-2017-0048182호(2017.05.08)
그러므로 본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 내부 상태의 변형 및 추가적인 공정 처리가 없는 기체 전리형 검출기를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 방사성 동위원소와 같은 환경오염 및 인체 유해 물질을 사용하지 않고, 가시광, 자외광, 적외광 및 엑스선 중 적어도 하나를 포함하는 전기적 광원에 의한 광전효과를 이용하여 검출기의 점검, 교정, 자동출력안정화기능(자가진단 및 피드백)이 가능한 기체 전리형 검출기 및 이를 이용한 방사선 계측 장치를 제공함에 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예는 내측에 방사선이 감지되거나 전자에 의해 기체증폭이 일어나는 기체 영역과, 기체 영역에 전기장을 형성하거나 전자 및 양이온 신호를 검출하는 양극과 음극, 양극과 음극에 설정된 전원을 출력하여 기체 영역 내부에 전기장을 형성하는 전원 구동 수단 및 검출기 내부로 자외광을 조사하여 광전효과에 의한 광전자를 발생시키는 광원을 구비한 광 어셈블리를 포함하고, 광전자는 전원 구동 수단에 의해 형성된 내부 전기장에 의해 양극으로 이동되어 검출신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 광원의 광전효과를 이용한 기체 전리형 검출기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 위 실시예의 기체 전리형 검출기를 포함하는 센서부 및 기체 전리형 검출기의 검출신호를 수신하여 광원 및 전원 구동 수단을 제어하는 측정 제어부를 포함하고, 측정 제어부는 기체 전리형 검출기로부터 검출신호를 수신하는 신호 측정 수단과, 신호 측정 수단에서 수신된 검출신호와 설정된 기준값을 비교하여 그 차이를 연산하여 검출신호와 기준값의 차이가 있다면 전원 제어신호를 출력하는 비교 수단 및 비교 수단의 전원 제어 신호에 따라 전원 구동 수단에서 출력되는 동작 전원의 레벨 또는 앰프 이득을 조절하는 제어신호를 출력하여 기체 전리형 검출기의 출력을 일정하게 유지하는 전원 제어 수단을 포함하고, 비교 수단은 검출신호와 기준값의 차이가 발생되지 않을 때까지 전원 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 이용한 점검, 교정, 자동 출력 안정화 방사선 계측 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예는 위 실시예에 포함된 기체 전리형 검출기를 포함하는 센서부 및 기체 전리형 검출기의 검출신호를 수신하여 전기적 광원 및 전원 구동 수단을 제어하는 측정 제어부를 포함하고, 측정 제어부는 방사선이 입사해도 반응하지 않는 불감시간(Dead time) 이후 양이온이 음극으로 이동하면서 전기장이 점차 증가하여 예상 출력신호의 크기가 파고선별 레벨(Discriminator level, 신호로 인정되는 레벨)에 도달하게 되는 분해시간(resolving time) 이후에 전기적 광원을 작동되도록 펄스 주기를 설정하는 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 이용한 점검, 교정, 자동 출력 안정화 방사선 계측 장치를 제공할 수 있다.
그러므로 본 발명은 내부 상태의 변형이 없고, 공정수를 단축시킬 수 있어 제조 및 유지 비용이 절감되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전기적으로 검출기의 점검, 교정, 자동 출력 안정화 기능을 수행할 수 있어 검출기 운영을 위하여 소요되는 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있고, 방사성 동위원소와 같은 인체 유해 및 환경 오염의 유발 물질을 사용하지 않음에 따라서 방사선 동위원소 취급에 따른 안전관리 문제를 해소할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 일실시예를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 4는 제1음극과 결합된 광전물질의 예를 도시한 부분 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 광 어셈블리의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 6은 광 어셈블리의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 이용한 점검, 교정, 자동 출력 안정화 방사선 계측 장치를 도시한 블럭도이다.
도 9는 연속한 입사 방사선의 검출 신호와 전기적 광원의 펄스 주기를 나타내는 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서 "및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목"의 의미는 제1, 제2 또는 제3항목뿐만 아니라 제1, 제2 또는 제3항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
또한, 본 발명에 따른 기체 전리형 검출기는 전리함(Ion Chamber), GM 계수관(Geiger Muller Counter), 비례계수관 (Proportional Counter), BF3 Neutron Detector, 3He Neutron Detector, Proton Recoil Counter, Boron Lined Detector, Fission Chamber, Beam Loss Monitor, Drift Chamber중 어느 하나에 해당 될 수 있다.
또한, 본 발명에서 전기적 광원은 가시광, 자외광, 적외광, 엑스선(X-Ray)중 어느 하나를 출력하는 것이며, 이중 자외광을 이용한 실시예로서 설명하나 이에 한정되는 것이 아니다.
이하부터 본 발명에 따른 광원을 구비한 기체 전리형 검출기 및 이를 이용한 점검, 교정, 자동 출력 안정화 방사선 계측 장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 도시한 사시도, 도 2는 도 1의 일실시예를 도시한 단면도, 도 3은 도 1의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광원을 구비한 기체 전리형 검출기의 일실시예는 양극(300)과, 양극(300)이 인입된 내측 공간의 외면을 이루는 제1음극(100)과, 제1음극(100)의 양측 단부를 차폐시키는 절연체(400)와, 제1음극(100) 및 절연체(400)에 의해 차폐된 내부공간으로서 기체가 충진되는 기체 영역(500)과, 내측으로 광을 출력하는 광 어셈블리(200)와, 내측에서 외부로 인출되는 양극(300)과, 양극(300)과 제1음극(100) 및 절연체(400)중 적어도 하나에 광전효과의 가속을 위하여 보조 광전 물질층(600, 610)과, 양극(300)과 음극(100)에 전기장을 형성하도록 동작 전원을 공급하는 전원 구동 수단(700)을 포함하는 기체 전리형 검출기(10, 도 8 참조)를 포함한다.
위 일실시예는 절연체(400)를 이용하여 기체 영역(500)을 밀봉시킨 기체 밀봉형이며, 이를 통하여 본 발명의 기술적 사상을 설명하나, 이에 한정되는 것이 아니며 기체의 유입 및 유출 가능한 기체 유동형 검출기(도 7 참조)에도 적용 가능하다.
전원 구동 수단(700)은 기체 영역(500)에 전기장을 형성할 수 있도록 양극(300)과 음극(100)에 동작 전원을 공급한다. 여기서 전원 구동 수단(700)은 검출기의 음극과 양극에 고전압을 출력하는 장치이다. 전원 구동 수단(700)은 후술되는 측정 제어부(3, 도 8 참조)의 제어에 의하여 전원 레벨의 조정 가능하고, 양극(또는 음극)으로부터 출력되는 신호 크기를 설정된 레벨로 유지시킨다. 즉, 전원 구동 수단(700)은 측정 제어부(3)의 제어에 의해 검출기의 출력신호를 안정화시킨다.
제1음극(100)은 밀봉형의 경우 일측 선단 또는 양측 선단이 개방되고, 중공된 형상으로서 내측에 기체 영역(500)을 형성하는 구조로 형성된다.
양극(300)과 제1음극(100)은 전기적인 신호를 출력하는 전원 구동 수단(700)에 동작 전원을 공급받고, 방사선의 검출 신호를 출력한다. 여기서 양극(300)은 제1음극(100)의 양측 단부중 어느 하나로 인입된다.
기체 영역(500)은 제1음극(100)과 절연체(400)에 의해 차폐된 내부 공간으로서 양극(300)과 제1음극(100)을 통하여 전원 구동 수단(700)으로 부터 공급된 전기 에너지에 의해 전기장을 형성하여 방사선에 의해 발생된 전자와 양이온을 각각 양극과 음극으로 이동시키고, 일정 전기장 세기 이상에서는 전자에 의한 기체 증폭을 발생시킨다.
광전 물질층(100, 400, 600, 610)은 광 어셈블리(200)에서 출력된 광(810)(예를 들면, 자외광)이 입사되면 광전효과에 의하여 검출기 내부 공간으로 광전자(820)를 발생시킨다. 여기서 광전 물질층(100, 400, 600, 610)은 제1음극(100) 및/또는 절연체(400) 자체이거나 음극과 절연체에 결합된 물질(600) 또는 적층된 금속판(610)으로 이루어진 보조 광전 물질층(600, 610) 일 수 있다. 이는 도 3과, 도 4를 참조하여 설명한다. 이중 도 4는 광전 물질층(600)의 일예를 도시한 부분 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 보조 광전 물질층(600, 610)은 절연체(400)와 제1음극(100)의 내면에 결합된 피막과, 또는 절연체(400)의 표면과 내면에 적층된 금속층, 기체와 전극(양극과 음극)간의 화학적 반응에 의해 생성된 물질, 또는 접착된 금속판 중 적어도 하나에 해당 된다. 또는 보조 광전 물질층(600, 610)은 중성자를 검출하기 위한 중성자 핵반응 물질 또는 중성자 핵물질 표면에 형성된 물질중 적어도 하나 이상일 수 있다.
여기서 피막은, 예를 들면, 크롬산화물(Cr2O3), 산화알루미늄(Al2O3) 등의 산화피막중 어느 하나 또는 그 이상에 해당될 수 있다.
또한 기체와 전극간의 화학적 결합에 의해 생성된 물질은 CrBr2, CrBr3 (chromium bromide), CrCl2, CrCl3 (chromium chloride) FeCl2, FeCl3 (iron chloride), FeBr2, FeBr3(iron bromide) 중 적어도 하나 일 수 있다.
그리고 절연체 및 음극에 결합된 금속판은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 탄소(C, graphite), 티타늄(Ti), Inconel중 어느 하나 또는 그 이상이 조합될 수 있다.
이와 같은 광전 물질층(100, 400, 600, 610)은 표면에 존재하는 전자가 자외광(810)에서 금속 고유의 일함수(work function) 이상의 에너지를 흡수하면서 광전 효과가 발생되어 흡수한 에너지에서 핵의 인력에 기인한 일함수를 뺀 만큼의 운동에너지를 갖는 광전자(820)를 발생시킨다.
보다 구체적으로 설명하자면, 일반적으로 기체 전리형 검출기(10)는 대부분 음극의 재료로 사용되는 스테인리스 스틸(stainless steel), 알루미늄, 텅스텐 같은 금속을 이용하고 있는데, 위와 같은 금속들은 산소와 반응하여 금속재료의 표면에 수 nm 내외의 얇은 크롬산화물(Cr2O3), 산화알루미늄(Al2O3) 등의 산화피막이 형성되어 금속재료를 보호하고 있다.
여기서 스테인리스 스틸, 알루미늄, 텅스텐 등의 일함수는 각각 4.4 eV, 4.3 eV, 4.5 eV 이고 상기 전극 재료의 산화피막인 크롬산화물(Cr2O3), 산화알루미늄(Al2O3)의 일함수는 각각 5 eV, 4.7 eV로 검출기 재료의 일함수가 대부분 5 eV 이하이다.
따라서 검출기 내부로 조사된 자외광(810)의 에너지가 위와 같은 검출기 재료의 일함수 이상이면 광전효과에 의한 광전자(820)가 발생하게 된다. 그리고 광전자(820)는 주변에 형성된 전기장에 의해 검출기 내부 기체 영역(500)으로 방출된 후 양극(300)으로 이동하여 검출기 신호를 생성할 수 있다.
이와 같이 자외광(810)에 의한 광전효과로서 검출기 신호를 생성하는 것은 기체 전리형 검출기(10)의 종류에 상관없이 적용 가능한 것이 본 발명의 주요지에 해당된다.
예를 들면, 전리함의 경우에는 광전 물질층(100, 400, 600, 610)의 표면에서 방출된 광전자(820)가 양극으로 이동되어 광전자 검출신호를 생성함에 따라 방사선 계측 장치에서는 광전자 검출 신호로서 점검, 교정, 자동 출력 안정화 기능을 진행할 수 있다. 또는 비례 계수관 또는 GM 계수관은 자외광(810)에 의한 광전효과로 발생된 광전자(820)에 의해 검출기 내부에서 전자사태(Avalanche)와 같은 기체 증폭(Gas Multiplication)(도 2 및 도 3 참조)을 야기 시켜 검출 신호를 생성할 수 있다.
즉, 본 발명은 기체 전리형 검출기 내부에 광을 조사하여 발생된 광전자를 이용하여 검출신호를 생성하며, 이는 광전자 검출신호 및 광전자의 증폭에 따른 검출 신호를 모두 포함하는 것이다.
이는 기체 전리형 검출기(10)의 종류에 따라 다양한 방식으로 적용됨을 의미하는 것이며, 이에 따른 각각의 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 범위에 해당되는 것이다.
광 어셈블리(200)는 절연체(400)를 통하여 기체 영역(500)으로 광(810)을 출력하는 전기적 광원(210)과, 전기적 광원(210)의 전면에서 출력된 광을 확산시키는 광학창(220)을 포함할 수 있다. 여기서 전기적 광원(210)은 광(810)(예를 들면, 가시광, 자외광, 적외광, 엑스선 중 하나이며 이하에서는 자외광을 이용하여 설명함)을 출력하는 발광 다이오드(예를 들면, UV LED), 램프(예를 들면, UV 램프), 레이저(예를 들면, UV 레이저) 중에서 선택될 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 광 어셈블리(200)는 도 3과, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다. 이중 도 3은 광 어셈블리(200)의 일실시예가 포함되었고, 도 5a 및 도 5b는 광 어셈블리(200)의 다른 실시예, 도 6은 광 어셈블리(200)의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광 어셈블리(200)는 절연체(400)에 관통 형성된 개구부(410, 420)에 설치된다. 여기서 개구부(410, 420)는 광학창(220, 222)이 삽입되는 제1개구홀(410)과, 전기적 광원(210)이 설치되는 제2개구홀(420)로 구성될 수 있다. 또한, 제1개구홀(410) 및/또는 제2개구홀(420)은 벽면에서 전기적 광원(210) 및 광학창(220, 222)의 고정 및 내부의 진공 실링을 위한 실링재(230)가 도포될 수 있다.
여기서 전기적 광원(210)과 광학창(220, 222) 사이에는 광결합(Optical coupling)을 위하여 광도체 또는 광에폭시로서 적층된 광 결합층(211)이 추가될 수 있다. 이는 광 어셈블리(200)의 다른 실시예로서 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한다.
광 어셈블리(200)의 다른 실시예는, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 절연체(400)의 제2개구홀(420)에 삽입되는 전기적 광원(210)의 전면 렌즈(출사면)에는 광도체 또는 광 에폭시중 어느 하나로 이루어진 광 결합층(211)과, 광학창(220, 222)의 출사면에 형성되는 보호층(221)과, 광학창(220, 222)의 고정 및 내부를 진공 실링하는 실링재(230)를 더 포함할 수 있다.
광 결합층(211)은 광도체(예를 들면, Optical grease, Optical pipe, Optical interface) 또는 광에폭시(Optical cement) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
보호층(221)은 광학창(220, 222) 출사면에 형성되어 제조공정 및 운전 중 발생되는 광학적 기능 열화를 저지하기 위한 피막으로 형성되거나, 이온빔 주입과 같은 표면처리로 형성된다.
여기서 피막은, 예를 들면, 검출기 동작중이나 검출기 제조 중에 발생할 수 있는 오염물질로부터 광학창(220, 222)을 보호할 수 있는 박막 또는 코팅층으로 이루어질 수 있다.
구체적인 예를 들자면, 보호층(221)으로 형성되는 피막은 AlN(aluminum nitride), 사파이어(3NAl2O3), CaF2(calcium fluoride), BaF2(barium fluoride), Al2O3(aluminum oxide), KBr(potssium bromide), MgF2 (magnesium fluoride) 또는 fused silica, borosilicate 중 하나 또는 그 이상에 의해 생성된 얇은 피막으로 형성될 수 있다.
또한 이온빔 주입에 의한 표면 처리는 H, He, N, Ar, Ne, O, Kr, Xe, B, Mg, Al, Si, Fe, Ag, In, Cu, Zn, Ta, Au, Mg, Ti 중 어느 하나에 의한 이온이 주입될 수 있다.
실링재(230)는 제1개구홀(410)의 벽면에 도포되어 광학창(220, 222)의 외면과의 사이를 밀폐시킨다. 여기서 실링재(230)는 프리트 유리(Frit Glass), 진공 에폭시, 오링, 용접과 같은 수단 또는 방식에 의하여 제조되어 음극 내부와 외부 사이에 기체 및 이물질의 유출입을 완전 차단시킨다.
또한, 본 발명에 따른 광 어셈블리(200)는 위와 같은 실시예에 비하여 보다 단순화된 구조를 제공할 수 있다. 이는 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6을 참조하면, 광 어셈블리(200)의 또 다른 실시예는 광학창(220, 222)을 생략하고, 절연체(400)에 개구홀(도면 번호 부여되지 않음)을 형성하여 전기적 광원(210)만을 체결하는 구조이다. 여기서 개구홀(도면 번호 부여되지 않음)의 벽면은 실링재(230)가 형성되어 전기적 광원(210)의 외면과 개구홀 사이의 이격 및 틈새를 차단하여 내측을 진공 실링 시킨다. 이와 같은 구조는 앞서 설명한 실시예에 비하여 단순화된 것으로서 제조 비용 및 시간을 절약할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명은 상술한 기체 밀봉형 검출기 외에 기체 유동형 검출기를 제공할 수 있다. 이는 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예는 검출기의 내부와 외부로 기체가 유동하고, 내부 개방이 가능한 구조를 특징으로 한다.
보다 상세하게 설명하자면, 본 발명의 또 다른 실시예는 내측에 기체 영역(500)이 형성된 제2음극(100')과, 내측에서 고정되는 전기적 광원(210)과, 외측으로 인출되어 검출신호를 출력하는 양극(300)과, 고전압을 출력하는 전원 구동 수단(700)을 포함할 수 있다.
제2음극(100')은 가스가 유입되는 유입구(122)와, 내부 가스가 유출되는 유출구(121)와, 방사선이 입사되도록 개방된 개구창(110)과, 전기적 광원(210)이 고정되는 광원 고정 개구(130)가 형성될 수 있다. 이와 같은 제2음극(100')의 구조는 내부에 기체가 충진되는 기체 영역(500)이 존재하고, 외부에서 기체 영역(500)으로 연통되도록 양극(300)이 고정된다.
아울러, 전기적 광원(210)은 제2음극(100')의 광원 고정 개구(130)에 고정되어 내측에 설치된다.
즉, 전기적 광원(210)은 검출기의 기체 영역(500)에서 설치되어 자외광(810)을 조사하여 내측의 광전물질과 반응하여 광전자(820)를 발생시킨다. 광전자(820)는 양극(300)으로 입력되어 검출신호로서 출력된다. 검출신호는 광전자(820)의 이동에 의한 광전자 검출신호이거나, 기체 증폭에 따른 검출 신호일 수 있다. 이는 공통적으로 광전자(820)가 양극으로 이동됨에 따른 작용으로서 광전자(820)에 의해 발생된 검출신호로 정의할 수 있다. 즉, 광전자(820)는 양극으로 이동되면서 검출신호를 생성한다.
또한, 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 해당되는 기체 유동형 검출기는 상술한 보조 광전 물질층(600, 610)을 더 포함할 수 있다. 즉, 제2음극(100')에는 내측에 피막, 금속층 또는 자체 재료에 의한 광전 물질과, 기체와의 화학 반응에 의한 광전 물질중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
그러므로 본 발명은 기체 전리형 검출기(10)에서 자외광(810)을 조사하여 발생된 전자(810)에 의해 성능 점검 및 교정에 필요한 검출신호를 생성하는 것을 특징으로 한다. 이는 기체 유동형 또는 밀봉형 검출기에 모두 적용 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 기체 전리형 검출기(10)는 전리함(Ion Chamber), GM 계수관 (Geiger Muller Counter), 비례계수관 (Proportional Counter), BF3 Neutron Detector, 3He Neutron Detector, Proton Recoil Counter, Boron Lined Detector, Fission Chamber, Beam Loss Monitor, Drift Chamber중 어느 하나로서 자외광(810)에 의한 광전자(820)로서 교정 및 성능점검을 위한 검출신호의 생성이 가능하다.
그러므로 본 발명은 위와 같이 자외광(810)을 이용하여 검출 신호의 생성이 가능함에 따라 점검, 교정 및 자동 출력 안정화가 가능한 방사선 계측 장치를 제공할 수 있다. 이하에서는 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 이용한 점검, 교정 및 자동 출력 안정화 방사선 계측 장치에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 이용한 점검, 교정 및 자동 출력 안정화 방사선 계측 장치를 도시한 블럭도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 이용한 점검, 교정, 자동 출력 안정화 방사선 계측 장치는 온도 및 방사선 계측 신호를 출력하는 센서부(1)와, 센서부(1)의 온도 및 계측신호(TDS1, DS1)를 수신하여 기체 전리형 검출기(10) 및 전기적 광원(210)의 출력을 제어하는 측정 제어부(3)를 포함한다.
센서부(1)는 전기적 광원(210)에 의한 광전효과로 발생된 광전자(820)를 통하여 발생된 검출신호(DS1)를 출력하는 기체 전리형 검출기(10)와, 전기적 광원(210)의 온도 감지신호(TDS1)를 출력하는 온도 센서(20)를 포함한다.
기체 전리형 검출기(10)는 기체 밀봉형과 기체 유동형중 어느 하나로서 음극(100)과 절연체(400), 양극(300) 및 보조 광전 물질층(600, 610)을 구비하고, 전기적 광원(210)에서 조사된 자외광(810)이 광전 물질층(100, 400, 600, 610)에 입사됨에 따라 광전효과에 의한 광전자(820)가 양극(300)으로 이동됨에 따라 검출 신호를 출력한다.
온도 센서(20)는 전기적 광원(210)의 온도를 감지하여 측정 제어부(3)로 출력한다.
측정 제어부(3)는 온도 센서(20)로부터 온도 감지 신호(TDS1)를 수신하는 온도 측정 수단(31)과, 온도 측정 수단(31)에서 수신된 온도 감지 신호(TDS2)를 비교하여 설정된 기준 온도값(T1)과 차이가 있으면 온도 보상 신호(TRS)를 출력하는 온도 보상 수단(36)과, 온도 보상 수단(36)으로부터 출력된 온도 보상 신호(TRS)에 따라 광원 제어 신호(UV CS)를 출력하는 광원 출력 제어 수단(32)과, 기체 전리형 검출기(10)의 검출 신호(DS1)를 수신하는 신호 측정 수단(33)과, 검출신호(DS2)와 기준신호를 비교하는 비교 수단(35)과, 기체 전리형 검출기(10)의 전원 제어 신호(CS)를 출력하는 전원 제어 수단(34)을 포함한다.
신호 측정 수단(33)은 기체 전리형 검출기(10)에서 전기적 광원(210)에서 출력된 자외광(810)에 의한 광전효과에 의해 발생된 광전자(820)에 의해 출력된 검출 신호(DS1)를 수신하고, 이를 설정된 레벨 및 신호(DS2)로서 변환 및 증폭하여 비교 수단(35)으로 출력한다.
비교 수단(35)은 설정된 기준값과 검출신호(DS2)를 비교하여 그 차이가 발생된 것으로 판단되면, 그 차이가 제거될 때까지 전원 제어 수단(34)에 전원 제어 신호(RS)를 출력한다. 즉, 비교 수단(35)은 검출 신호(DS1)를 통하여 피드백 제어를 수행한다.
전원 제어 수단(34)은 비교 수단(35)의 전원 제어 신호(CS)에 따라서 기체 전리형 검출기(10)의 전원 구동 수단(700)을 제어하여 양극(또는 음극)에서 출력되는 검출 신호가 안정되도록 제어한다.
여기서 전원 구동 수단(700)은 고전압을 출력하는 장치 또는 앰프 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
따라서 전원 제어 수단(34)은 고전압의 레벨을 조정하는 제어신호(CS)를 전원 구동 수단(700)으로 출력한다. 즉, 전원 제어 수단(34)은 전원 구동 수단(700)을 제어하여 양극(또는 음극)에서 출력되는 검출신호(및/또는 출력 신호)가 설정된 레벨로 유지될 수 있도록 기체 전리형 검출기로 공급되는 동작 전원을 제어한다.
온도 측정 수단(31)은 온도 센서(20)로부터 수신된 전기적 광원(210)의 온도 감지 신호(TDS1)를 수신하고, 이를 증폭 및/또는 변환하여 온도 보상 수단(36)으로 온도 감지 신호(TDS2)를 출력한다.
온도 보상 수단(36)은 온도 센서(20)의 온도 감지 신호(TDS2)가 설정된 기준 온도와 차이가 있는지를 비교 판단하여 온도차가 발생되면 온도 보상 신호(TRS)를 출력한다.
광원 출력 제어 수단(32)은 온도 보상 수단(36)에서 출력된 온도 보상 신호(TRS)에 따라 온도가 변화되더라도 광원의 출력이 항상 일정하도록 전기적 광원(210)의 세기, 및/또는 펄스 주기가 조절된 광원 제어 신호(UV CS)를 출력한다.
여기서 전기적 광원(210)은 광원 출력 제어 수단(32)의 광원 제어 신호(UV CS)에 의하여 직류 전류 또는 펄스로 연속 구동한다. 이때, 광원 출력 제어수단(32)은 설정된 구동전류에 따라 전기적 광원(210)의 광 세기를 제어한다. 또한 전기적 광원(210)은 펄스로 구동되는 경우에는 펄스 주파수, 듀티비, 자외광(810)의 세기중 적어도 하나 이상으로 제어된다.
보다 구체적으로 설명하자면, 기체 전리형 검출기(10) 중에서 전리함은 전류 형태로 신호가 출력되고, 비례 계수관이나 GM 계수관은 전압 형태로 신호가 출력될 수 있지만, 방사선 계측 시스템에서는 위와 같은 전압과 전류중 어느 하나로 특정하는 것이 아닌 전류와 전압 출력신호를 모두 이용함도 가능하다.
예를 들면, GM 계수관의 전압 출력신호의 크기는 일정하기 때문에 전압 출력신호의 높이(즉, 파고) 정보를 이용할 수가 없으며, 대신 계수율(또는 주파수) 정보로 검출기의 상태를 측정하여야 하므로 전기적 광원(210)을 펄스로 구동하는 것이 바람직하다.
아울러, 광원 출력 제어 수단(32)은 연속된 입사 방사선의 측정에 따른 검출신호를 개별 신호로 검출할 수 있도록 하기 위하여 전기적 광원(210)에 출력되는 펄스 주기를 산출하여 전기적 광원(210)을 제어함이 가능하다. 이는 도 9를 참조하여 설명한다.
도 9는 입사 방사선 검출 신호와 전기적 광원(210)의 펄스 주기를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 기체 전리형 검출기(10)(예를 들면, GM 계수관)은 방사선이 검출되는 순간 검출기 내부의 양극(300) 주변에 느린 양이온에 의한 공간전하가 형성되는데, 이 공간전하는 전기장 강도를 약화시켜 이 순간에는 방사선이 입사해도 반응하지 않는 불감시간(Dead time)(e)이 발생한다.
이때, 불감시간(e) 이후에는 양이온이 음극(100)으로 이동하면서 전기장이 점차 증가하여 예상 출력신호의 크기가 파고선별 레벨(Discriminator level, 신호로 인정되는 레벨)에 도달하게 되며, 이 시점까지의 경과시간을 분해시간(Resolving time)(d)이라고 한다.
따라서 분해시간(d)은 서로 다른 두 입사 방사선의 측정에 의한 신호를 개별신호로서 검출할 수 있는 최소한의 시간 간격에 해당 된다. 그러므로 전기적 광원(210) 출력 제어수단은 전기적 광원(210)을 펄스로 구동할 경우 광원의 펄스 간격(a)을 분해시간(d) 이상으로 설정함이 바람직하다.
정리하자면, 본 발명은 기체 밀봉형 또는 유동형 검출기에 모두 적용 가능한 것으로서 검출기 내부의 기체 영역(500)에 자외광(810)을 출력하여 광전효과에 의해 검출 신호를 발생시킬 수 있다.
그러므로 본 발명에서는 자외광(810)에 의한 광전효과를 이용하여 발생된 검출신호가 설정된 기준값과 차이가 있다면, 해당 차이가 제거될 때까지 전원 제어 수단(34)을 조정할 수 있고, 온도 센서(20)를 이용하여 전기적 광원(210)의 온도를 확인하여 온도차에 따른 광 세기를 보상할 수 있기에 자동출력안정화 기능이 가능한 것을 특징으로 한다.
이는 종래에 비하여 방사성 동위원소와 같이 인체의 유해 물질 및 환경 오염을 발생시킬 수 있는 물질을 이용하는 것이 아님에 따라 관리를 위한 인력 및 비용과, 시간을 절감시킬 수있다.
이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.
그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1 : 센서부 3 : 측정 제어부
10 : 기체 전리형 검출기 20 : 온도 센서
31 : 온도 측정 수단 32 : 광원 출력 제어 수단
33 : 신호 측정 수단 34 : 전원 제어 수단
35 : 비교 수단 36 : 온도 보상 수단
100, 100' : 음극 110 : 개구창
121 : 유출구 122 : 유입구
130 : 개구부 200 : 광 어셈블리
210 : 전기적 광원 211 : 광 결합층
220, 222 : 광학창 221 : 보호층
230 : 실링재 300 : 양극
400 : 절연체 410 : 제1개구홀
420 : 제2개구홀 500 : 기체 영역
600, 610 : 광전 물질층 700 : 전원 구동 수단
810 : 자외광 820 : 광전자

Claims (12)

  1. 방사선의 감지 또는 전자에 의한 기체 증폭이 일어나는 기체 영역(500);
    기체 영역(500)에 전기장을 형성하거나 전자 및 양이온 신호를 검출하는 양극(300)과 음극(100);
    기체 영역 내부에 전기장을 형성하도록 양극과 음극에 동작 전원을 공급하는 전원 구동 수단(700); 및
    내부에 광을 조사하여 광전효과에 의한 광전자(820)를 발생시키는 전기적 광원(210)을 구비한 광 어셈블리(200);를 포함하고,
    광전자(820)는
    전원 구동 수단(700)에 의해 형성된 내부 전기장에 의해 양극(300)으로 이동되어 검출신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기.
  2. 청구항 1에 있어서, 기체 전리형 검출기는
    전리함(Ion Chamber), GM 계수관(Geiger Muller Counter), 비례계수관(Proportional Counter), BF3 Neutron Detector, 3He Neutron Detector, Proton Recoil Counter, Boron Lined Detector, Fission Chamber, Beam Loss Monitor, Drift Chamber 중 하나인 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기.
  3. 청구항 1항에 있어서, 기체 전리형 검출기는
    기체 영역(500)이 밀봉되는 기체 밀봉형(Gas Filled Type)과, 검출기의 내부와 외부로 기체의 유입과 유출이 이루어질 수 있도록 유입구(122) 및 유출구(121)가 형성된 기체 유동형(Gas Flow Type)중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기.
  4. 청구항 1 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    광(810)에 의해 음극(100), 절연체(400), 기체영역(500) 중 어느 하나에서 광전 효과를 발생시켜 검출기 내부에 광전자를 방출하는 광전 물질층(100, 400, 500, 600, 610)(Photo-emissive Material)을 포함하고,
    광전 물질층은
    음극 또는 절연체와 결합되어 광전효과를 발생시키는 보조 광전 물질층(600, 610);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기.
  5. 청구항 4항에 있어서, 보조 광전 물질층(600, 610)은
    음극(100) 또는 절연체(400)의 표면에 형성된 피막, 음극(100) 또는 절연체(400)의 표면에서 전기적으로 연결된 금속층, 기체와 전극들간의 화학반응에 의해 생성된 화합물, 중성자를 검출하기 위한 중성자 핵반응 물질 또는 중성자 핵물질 표면에 형성된 물질 중 적어도 하나인 것을 특징으로 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기.
  6. 청구항 1항에 있어서, 음극(100) 또는 절연체(400)는
    관통 형성된 제1개구홀(410)과, 제1개구홀(410)에 연장되어 전기적 광원(210)이 설치되는 제2개구홀(420)을 포함하고,
    광 어셈블리(200)는
    제1개구홀(410)에 설치되어 전기적 광원(210)에서 출력된 광(810)을 투과 또는 확산시키는 광학창(220, 222);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기.
  7. 청구항 6항에 있어서, 광학창(220, 222)은
    광학적 기능 열화를 저지하기 위한 보호층(221)을 더 포함하며,
    보호층(221)은
    광학창(220, 222)의 표면에 형성된 박막, 코팅층 또는 이온빔 주입에 의한 표면 처리로 형성된 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기.
  8. 청구항 1항에 있어서, 전기적 광원(210)은
    광결합(optical coupling)을 위하여 광 그리스(Optical Grease), 광 파이프(Optical Pipe), 광 인터페이스(Optical interface) 중 어느 하나인 광도체 또는 광에폭시(Optical cement) 로 형성된 광 결합층(211)을 더 포함하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기.
  9. 청구항 1항 또는 청구항 6항에 있어서, 전기적 광원(210)은 광학창(220, 222)의 구비 없이 절연체의 외면에서 관통 형성된 개구홀에 실링재(230)로 직접 고정된 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기.
  10. 청구항 1항의 기체 전리형 검출기를 포함하는 센서부(1); 및
    기체 전리형 검출기의 검출신호를 수신하여 전기적 광원(210) 및 전원 구동 수단(700)을 제어하는 측정 제어부(3);를 포함하고,
    측정 제어부(3)는
    기체 전리형 검출기로부터 검출신호를 수신하는 신호 측정 수단(33);
    신호 측정 수단(33)에서 수신된 검출신호와 설정된 기준값을 비교하여 그 차이를 연산하여 검출신호와 기준값의 차이가 있다면 전원 제어신호를 출력하는 비교 수단(35); 및
    비교 수단(35)의 전원 제어 신호에 따라 전원 구동 수단(700)의 동작 전원 레벨을 조절하는 제어신호를 출력하여 기체 전리형 검출기의 출력을 일정하게 유지하는 전원 제어 수단(34);을 포함하고,
    비교 수단(35)은
    검출신호와 기준값의 차이가 발생되지 않을 때까지 전원 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 이용한 점검, 교정, 자동 출력 안정화 방사선 계측 장치.
  11. 청구항 1항의 기체 전리형 검출기를 포함하는 센서부(1); 및
    기체 전리형 검출기의 검출신호를 수신하여 전기적 광원(210) 및 전원 구동 수단(700)을 제어하는 측정 제어부(3);를 포함하고,
    측정 제어부(3)는
    방사선이 입사해도 반응하지 않는 불감시간(Dead time) 이후 양이온이 음극(100)으로 이동하면서 전기장이 점차 증가하여 예상 출력신호의 크기가 파고선별 레벨(Discriminator level, 신호로 인정되는 레벨)에 도달하게 되는 분해시간(Resolving time) 이후에 전기적 광원(210)이 작동되도록 펄스 주기를 설정하는 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 이용한 점검, 교정, 자동 출력 안정화 방사선 계측 장치.
  12. 청구항 10항 또는 청구항 11항에 있어서, 센서부(1)는
    전기적 광원(210)의 온도를 감지하는 온도 센서(20);를 더 포함하고,
    측정 제어부(3)는
    온도 센서(20)의 온도감지신호를 수신하여 전기적 광원(210)의 온도를 측정하는 온도 측정 수단(31);
    온도 측정 수단(31)에서 측정된 전기적 광원(210)의 온도와 설정된 온도를 비교하여 차이가 발생되면 온도 보상 신호를 출력하는 온도 보상 수단(36); 및
    온도 보상 수단(36)의 온도 보상 신호에 따라서 전기적 광원(210)의 펄스 주기, 듀티비, 전원 레벨 중 적어도 하나를 조절하여 광 세기가 일정하도록 전기적 광원(210)을 제어하는 광원 출력 제어 수단(32);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 광원을 구비한 기체 전리형 검출기를 이용한 점검, 교정, 자동 출력 안정화 방사선 계측 장치.



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