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운계 애
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1 기술논문 이중산란형컴프턴카메라구성검출기성능평가 서희 *, 박진형 *, 김찬형 *, 이주한, 이춘식, 이재성 * 한양대학교원자력공학과 중앙대학교물리학과 서울대학교핵의학교실 2010 년 3 월 26 일접수 / 2010 년 5 월 2 일 1 차수정 / 2010 년 5 월 3 일채택 현재개발중에있는이중산란형컴프턴카메라는두대의산란부검출기 ( 양면실리콘스트립검출기, DSSD) 와하나의흡수부검출기 (NaI(Tl) 섬광검출기 ) 로구성되며, 소형이면서도높은영상해상도를제공할수있는구조를가지고있다. 본연구에서는이중산란형컴프턴카메라를구성하고있는감마선검출기들의에너지분해능및시간분해능을평가하고, 산란부검출기의에너지분해능에영향을미치는인자들을등가노이즈전하 (equivalent noise charge) 를통하여분석하였다. DSSD-1 은평균적으로 59.5 kev 피크 ( 241 Am) 에대하여 25.2 kev±0.8 kev FWHM 의에너지분해능을보였으며, DSSD-2 는 31.8 kev±4.6 kev FWHM 의에너지분해능지니고있는것으로확인되었다. DSSD 의시간분해능은 ns FWHM 으로평가되었고, NaI(Tl) 섬광검출기의시간분해능은 7.98 ns FWHM 이었다. 또한이중산란형컴프턴카메라를이용하여 137 Cs 점선원에대한컴프턴영상을획득한후성능을평가하였다. 이번실험을통해서영상해상도 8.4 mm FWHM ( 각분해능 8.1 FWHM) 을획득하였고, 영상감도는 ( 고유효율 = ) 으로나타났다. 중심어 : 컴프턴카메라, 이중산란, 에너지분해능, 시간분해능, 컴프턴영상 1. 서론 1) 컴프턴산란에기반을둔컴프턴카메라는 3 차원적인방사선원의분포를고정된위치에서결정할수있는감마선영상장치로서물리적집속기를사용하지않기때문에높은에너지감마선을방출하는핵종에대한영상화가유리하다는장점이있다 [1]. 또한선원의에너지가높아질수록영상해상도가향상된다는점, 영상해상도와영상감도사이에대립적인특성이없다는장점등을바탕으로의료용영상장치뿐만아니라원자력산업용영상장치로서의활용가능성을가지고있다. 현재사용중인의료용영상장치의경우에는 511 kev 미만의감마선에대한영상화에만용도가한정되며, 산업적목적으로활용되기위해서는 511 kev 이상의감마선원에대해서도성능이보장되어야하기때문에핀홀카메라또는단일광자방출단층촬영 (single photon emission computed tomography, SPECT) 과같이물리적집속기를사용하는영상장치보다는컴프턴영상기법이대안으로주목받고있다 [2]. 컴프턴영상기법에서필수적으로획득해야하는물리량은컴프턴산란위치와산란된감마선의진행방향, 그리고산란된감마선의에너지이다. 이러한물리량들을사용 책임저자 : 김찬형, chkim@hanyang.ac.kr, 한양대학교원자력공학과서울시성동구행당동 17 한양대학교원자력공학과 하여컴프턴영상재구성에사용되는원뿔면 (conical surface) 의꼭짓점및축, 그리고내각을결정하므로, 결국이러한물리량을얼마나정확히결정할수있는지가컴프턴카메라의영상해상도를결정하는요소가된다. 이러한물리량들을결정하기위해서컴프턴카메라는통상적으로 2 대이상의위치민감형감마선검출기로구성이된다. 산란부검출기의위치분해능이컴프턴산란위치정확도를결정하며, 산란된감마선의진행방향결정정확도는구성검출기 ( 산란부와흡수부 ) 들의위치분해능에의존한다. 마지막으로산란된감마선에너지의결정정확도는산란부또는흡수부검출기의에너지분해능에의존한다. 여기에추가적으로고려해야되는인자는각구성검출기들의시간분해능이다. 컴프턴카메라는각구성검출기들을동시계수 (coincidence detection) 를통해연결하여모든구성검출기에서반응이있을경우에만단일광자에의한이벤트임을확신하고데이터를획득한다. 따라서구성검출기들의시간분해능이우수해야동시계수시간윈도우를좁게설정할수있으며우연동시반응들에의한영향을최소화할수있다. 컴프턴카메라는일반적으로두대의위치민감형검출기를각각산란부와흡수부로사용하는구조를가지고있다. 이러한구조는산란부검출기에서한번컴프턴산란을일으킨후흡수부검출기에서완전히흡수된광자를계측하여컴프턴영상을획득하기때문에단일산란형컴 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.35 NO.2 JUNE

프턴카메라로분류할수있다. 이러한구조의경우산란된광자를흡수부검출기의한픽셀내에서완전히흡수시키기위하여흡수부픽셀의크기가커질수밖에없다는문제가있다. 이는곧광자의반응위치를정확히결정하기어렵다는의미이며, 결과적으로영상해상도의저하를가져오게된다. 만약, 픽셀의크기를작게하여이러한문제를해결하고자한다면다중픽셀이벤트가증가하여영상감도의급격한저하를가져오게된다.

이는기존의컴프턴카메라들과는달리두개의위치민감형산란부검출기를사용하여광자의산란반응위치를정확히결정하고, 산란된광자의에너지만을별도로측정하는흡수부검출기를사용하는구조이다 ( 그림 1). 즉, 두개의매우얇은실리콘검출기를산란부로사용하여광자의궤적을정확히결정하겠다는것이주된아이디어이다. 이를통해시스템을매우간소화하면서도높은영상해상도를제공할수있을것으로기대한다.

2. 구성검출기성능평가 이중산란형컴프턴카메라는두대의양면실리콘스트립검출기 (double-sided silicon strip detector, DSSD) 를산란부로사용하며, NaI(Tl) 섬광검출기를흡수부로사용한다 ( 그림 2). 산란부검출기는 DC 타입의 PIN diode 이며, 5 cm 5 cm 0.15 cm 의크기를가지고있다.

2 프턴카메라로분류할수있다. 이러한구조의경우산란된광자를흡수부검출기의한픽셀내에서완전히흡수시키기위하여흡수부픽셀의크기가커질수밖에없다는문제가있다. 이는곧광자의반응위치를정확히결정하기어렵다는의미이며, 결과적으로영상해상도의저하를가져오게된다. 만약, 픽셀의크기를작게하여이러한문제를해결하고자한다면다중픽셀이벤트가증가하여영상감도의급격한저하를가져오게된다. 이러한문제는흡수부내에있는여러픽셀에서발생한다중산란반응의시퀀스를정확히결정하는기술이마련되지않는한해결하기어려우며, 선원의에너지가높아짐에따라문제는더욱심각해진다. 이러한문제를근본적으로해결하기위하여우리는이중산란형구조를가지는새로운타입의컴프턴카메라를개발하고있다 [3-5]. 이는기존의컴프턴카메라들과는달리두개의위치민감형산란부검출기를사용하여광자의산란반응위치를정확히결정하고, 산란된광자의에너지만을별도로측정하는흡수부검출기를사용하는구조이다 ( 그림 1). 즉, 두개의매우얇은실리콘검출기를산란부로사용하여광자의궤적을정확히결정하겠다는것이주된아이디어이다. 이를통해시스템을매우간소화하면서도높은영상해상도를제공할수있을것으로기대한다. 이러한구조는 Scannavini 등에의해최초로제안되었으나 [6] 아직까지실험적으로실증되지않고있다. 본연구에서는이중산란형컴프턴카메라의성능을결정하는구성검출기들의에너지분해능및시간분해능을평가하였으며, 137 Cs 점선원에대해서실험적으로컴프턴영상을획득하고이중산란형컴프턴카메라의성능을평가하여보았다. Fig. 1. Double-scattering Compton camera. 2. 구성검출기성능평가 이중산란형컴프턴카메라는두대의양면실리콘스트립검출기 (double-sided silicon strip detector, DSSD) 를산란부로사용하며, NaI(Tl) 섬광검출기를흡수부로사용한다 ( 그림 2). 산란부검출기는 DC 타입의 PIN diode 이며, 5 cm 5 cm 0.15 cm 의크기를가지고있다. 양면에 16 개의스트립이직교하게입혀져있어서 3 mm 3 mm 의평면방향위치분해능을제공하며, 깊이방향은검출기두께에해당하는 1.5 mm 이다. 첫번째산란부에서발생한컴프턴산란반응의위치를컴프턴원뿔 면의꼭짓점으로결정하며, 두산란부에서의반응위치를사용하여컴프턴원뿔면의축으로결정한다. 그리고, 첫번째산란부에전달된에너지를식 1 에대입하여산란각을결정하고이는컴프턴원뿔면의내각으로사용한다. 흡수부로사용되는 NaI(Tl) 섬광검출기는지름 3 인치에길이 3 인치를갖는원통형검출기이며, 두번산란된감마선의에너지만을계측하여합에너지게이트 (sumenergy gate) 를적용하기위해사용한다. 합에너지게이트는구성검출기에전달된에너지의합이선원의에너지와같아야한다는조건으로이를통해우연동시반응을제거할수있게된다. Fig. 2. Component detectors of double-scattering Compton camera: double-sided silicon strip detector (left) and NaI(Tl) scintillation detector (right) cos (Eq. 1) 2-1. 에너지분해능평가이중산란형컴프턴카메라에서첫번째산란부의에너지분해능은앞서설명한컴프턴원뿔면의내각결정정확도를결정하는요인이되며, 그외구성검출기들의에너지분해능은합에너지게이트의너비를결정하는인자가된다. 따라서우수한에너지분해능은양질의컴프턴영상을획득하기위해매우중요한인자가된다. DSSD 의에너지분해능을결정하기위하여 59.5 kev 감마선을방출하는 241 Am 선원과 88 kev 감마선을방출하는 109 Cd 선원을사용하여에너지스펙트럼을획득하였다. 그림 3 과 4 에서는 241 Am 및 109 Cd 감마선원에대한두 DSSD 의각스트립별에너지분해능을나타내고있다. 각각의스트립이가지고있는에너지분해능을평균내어살펴보면 DSSD-1 은 25.2 kev±0.8 kev FWHM ( 241 Am) 및 28.1 kev±1.3 kev FWHM ( 109 Cd) 의에너지분해능을가지고있으며, DSSD-2 는 31.8 kev±4.6 kev FWHM ( 241 Am) 및 34.7 kev±4.6 kev FWHM ( 109 Cd) 의에너지분해능을보이고있다. 그림 3 과 4 에서볼수있듯이 DSSD-2 는전체적인에너지분해능값도좋지않을뿐더러각검출기채널간편차도심하게나타나는것으로확인되었다. 이에에너지분해능이상대적으로우수한 DSSD-1 을첫번째산란부로사용하는것이높은영상해상도를얻는데도움이될것으로판단된다. 70 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.35 NO.2 JUNE 2010

3 Fig. 3. Energy resolution of DSSD-1 (square) and DSSD-2 (circle) for 59.5 kev peak of 241 Am. 작한 MUX-16 을사용하고있다. MUX-16 은 16 개의입력신호중신호가발생한채널의에너지와위치신호그리고트리거신호를출력신호로내보낸다. MUX-16 의 peaking time 은 ~0.8 μs 이다. 이값들을사용하여계산된누설전류에의한 ENCL 값은 2039 electrons 이며, 여기에실리콘검출기에서하나의전자 / 전공쌍을생성하기위한에너지인 3.62 ev 를곱하고, FWHM 으로계산하기위해 2.35 를곱하면최종적으로 17.3 kev FWHM 의노이즈값을구할수있다. MUX-16 의사용설명서에따르면검출기및케이블의축전용량에의한노이즈는다음의식 3 으로계산할수있다. DSSD 의제작사에따르면검출기축전용량은대략 20 pf 정도이며, DSSD 와 MUX-16 을연결하는케이블은 90 pf 의축전용량을가지고있다. 따라서해당축전용량에의한노이즈는 12.5 kev FWHM 으로유추할수있다. det (Eq. 3) 또다른노이즈성분으로는바이어스저항에서발생하는열적노이즈 (thermal (or Johnson) noise) 가있으며이는식 4 를통해 ENC 를구할수있다. MUX-16 의제작사에따르면바이어스저항값 (R) 은 10 MΩ 이며, k 는볼츠만상수 (= J/K), T 는절대온도 (300 K) 이다. 그외변수들은식 2 와동일하다. 검출기저항값에의한노이즈는 1.9 kev FWHM 정도로계산되었다. (Eq. 4) Fig. 4. Energy resolution of DSSD-1 (square) and DSSD-2 (circle) for 88 kev peak of 109 Cd. DSSD 의에너지분해능에영향을미치는주요인자로는검출기누설전류, 검출기축전용량및검출기와전치증폭기를연결하는케이블의축전용량, 그리고바이어스저항값을들수있다. 통상적으로노이즈는직렬성분과병렬성분으로나누어볼수있으며, 이들은 shaping time 의증가에따라직렬성분노이즈는증가하는경향이있으며병렬성분노이즈는감소하는경향이있다. 이러한노이즈는등가노이즈전하 (equivalent noise charge, ENC) 라는양으로표현할수있는데, 실리콘검출기에서누설전류에의한 ENC 는다음의식 2 를통해구할수있다 [7]. (Eq. 2) 여기서 e 는오일러상수 (=2.718), I L 은검출기누설전류, t p 는 peaking time (shaping 된펄스가자신의피크전압까지올라가는데걸리는시간 ), 그리고 q 는전자의전하량 (= C) 이다. 현재사용중인 DSSD 는통상실온에서 450 na/strip 정도의누설전류를보이고있다. DSSD 의다채널신호를처리하기위해 mesytec 사에서제 따라서총노이즈값은식 5 에의해 21.4 kev FWHM 이되며, 이는현재 DSSD 의검출시스템으로달성가능한에너지분해능의한계로여겨진다. 여기에전자 / 전공쌍생성시에발생하는통계적요동, 외부적인노이즈픽업, 전치증폭기의직렬성분노이즈등이추가적으로기여를하여최종적으로 25~35 kev FWHM 정도의성능을보이는것으로판단된다. 검출기누설전류는온도에매우민감하여 7 K 감소함에따라누설전류는대략절반정도로줄어든다고한다 [8]. 따라서 DSSD 의에너지분해능향상을위해서검출기냉각을고려해야할것으로생각되며, 현재 90 cm 에달하는검출기와전치증폭기사이의케이블을짧은것으로대체하는것도고려해야될것으로생각한다. 또한현재 MUX-16 이외부적인노이즈에상당히민감하게반응하므로최적의그라운드설정을통해노이즈를빼주어야할것으로판단된다. (Eq. 5) NaI(Tl) 섬광검출기는 59.5 kev 피크에대해서 9.1 kev FWHM 의에너지분해능을나타냈으며, 60 Co 선원의 1173 kev 및 1332 kev 피크에대해서는각각 77.4 kev JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.35 NO.2 JUNE

와 77.8 kev FWHM 정도를나타냈다. 2-2. 시간분해능평가이중산란형컴프턴카메라는 3 대의감마선검출기로구성되기때문에우연동시반응을최소화하고유효한반응만을기록하는최적의동시계수회로구성이필수적이다. 이를위해서는각구성검출기및이와연결된신호처리회로조합의시간분해능을정확히결정하는것이선결되어야한다.

4 와 77.8 kev FWHM 정도를나타냈다 시간분해능평가이중산란형컴프턴카메라는 3 대의감마선검출기로구성되기때문에우연동시반응을최소화하고유효한반응만을기록하는최적의동시계수회로구성이필수적이다. 이를위해서는각구성검출기및이와연결된신호처리회로조합의시간분해능을정확히결정하는것이선결되어야한다. 이에본연구에서는컴프턴카메라를구성하는검출기및신호처리회로를사용하여각검출시스템의시간분해능을결정하였다. 그림 5 에서는 NaI(Tl) 섬광검출시스템의시간분해능을결정하기위해사용된신호처리로직을보여주고있다. 두대의동일한섬광검출기및신호처리로직을구성하고두검출기사이에 511 kev 소멸감마선을방출하는 22 Na 감마선원을위치시켰다. Timing filter amplifier (TFA; model 474, ORTEC, USA) 를사용하여빠르게 shaping 한다음시간분해능에영향을미치는 amplitude walk 의영향을최소화하기위하여 constant fraction discriminator (CFD; model 935, ORTEC, USA) 를사용하여트리거신호를획득하였다. 이렇게생성된로직신호를 time-to-digital converter (TDC; model 7186, Phillips Scientific, USA) 에넣어주어반응시간정보를획득하였다. 동시계수회로를구성하여두대의검출기에서동시에반응이일어난경우에만게이트를열어주어데이터를기록하였으며, 우연동시반응들을제거하기위하여 511±50 kev 의에너지게이트를적용하여주었다. 그림 6 에서는동시계수를통해획득한에너지스펙트럼과단독으로두었을경우의에너지스펙트럼을보여주고있다. 그림 6 에서확인할수있듯이단독 (single) 으로데이터를획득하면 511 kev 피크뿐만아니라 22 Na 선원에서방출되는 1275 kev 감마선에대한피크도선명하게보이는데반하여, 동시계수를통해획득한스펙트럼에서는 511 kev 를제외한이벤트들이상당부분제거가되었음을알수있다. 여기에추가적으로에너지게이트를적용하여두검출기모두 511 kev 에해당하는이벤트가있을경우에만해당이벤트들의반응시간정보를사용하여시간차스펙트럼을획득하였다. Fig. 5. Simplified schematic diagram of electronics used to determine timing resolution of NaI(Tl) scintillation detector. Fig. 6. Normalized energy spectrum of NaI(Tl) scintillation detector measured with (red) and without (black) coincidence detection. 그림 7 에서는 TDC 를통해획득한 NaI(Tl) 검출기에대한시간차스펙트럼을보여주고있다. 동시계수시간분해능은 ns FWHM 으로평가되었다. 양쪽의검출시스템이시간차스펙트럼에동일한영향을미쳤다는가정하에개별 NaI(Tl) 검출시스템의시간분해능 (x) 은 7.98 ns 로평가되었다 ( 식 6). (Eq. 6) Fig. 7. Time difference spectrum measured with coincidence detection between two identical NaI(Tl) detection systems. DSSD 및이와연결된신호처리회로의시간분해능을결정하기위해서 DSSD 와 NaI(Tl) 검출기조합을선택하였다. 앞서설명한 NaI(Tl) 검출시스템의시간분해능을결정하기위해사용하였던방법은 DSSD 에는적합하지않는데, 그이유는 DSSD 는원자번호가낮고두께가매우얇기때문에 511 kev 감마선에대한전에너지피크 (full-energy peak) 를형성할확률이매우낮기때문이다. 참고로전에너지피크는다중산란이후흡수된경우도포함하고있으나, 검출기의픽셀사이즈가작고 (3 mm 3 mm 1.5 mm) 다중채널반응은측정시포함하지않기때문에포토피크 (photopeak) 에대한반응확률을확인하여보았다. NIST 에서제공하는 XCOM [9] 을통해실리콘 72 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.35 NO.2 JUNE 2010

5 에서 511 kev 광자의광전흡수에대한선형감쇠계수를 cm -1 (= cm 2 g gcm -3 ) 로확인하였고, 여기에산란부검출기두께에해당하는 0.15 cm 를곱하여최종적으로 0.006% 의반응확률을획득하였다. 즉 DSSD 에입사된 511 kev 의광자중 0.006% 만이광전흡수를통해포토피크를형성한다는의미이다. 반면동일한방법으로결정된 511 kev 광자의컴프턴산란확률은약 3% 로광전효과보다약 500 배가크다. 이에 DSSD 와 NaI(Tl) 검출기를산란구조로구성하고실제감마선의반응시간에는차이가없다고가정하였다. 즉, DSSD 와 NaI(Tl) 검출기를매우가깝게위치시키고 (1 cm 간격 ), DSSD 에서산란된후 NaI(Tl) 검출기에서완전히흡수된경우에반응의시간차는없다고가정하였다. 선원으로는 662 kev 감마선을방출하는 137 Cs 점선원을 DSSD 앞면에서부터 4 cm 거리에두었다. 컴프턴카메라에사용되는동일한신호처리모듈들을사용하였고, 역시에너지까지기록하여두검출기에전달된에너지의합이선원의에너지와같아야한다는에너지게이트 (662±60 kev) 를적용하여우연동시반응들은제거하여주었다. 이때사용된신호처리로직은그림 8 에나타내었다. 그림 9 에서는동시계수를통해획득한 DSSD-NaI(Tl) 검출기간의합에너지스펙트럼을보여주고있으며, 여기서 662 kev 에해당하는피크를확인할수있다. 그림 10 에서는 TDC 를통해획득한 DSSD-NaI(Tl) 검출시스템에대한시간차스펙트럼을보여주고있다. 시간차스펙트럼이 NaI(Tl) 검출기의경우와는달리좌 / 우비대칭인이유는동시계수로연결된검출기및신호처리로직이서로다르기때문이며 DSSD 의시간분해능이상대적으로저조하여좌측으로테일이생겼다고판단된다. 시간차스펙트럼의반치폭 (FWHM) 이 ns 이고 NaI(Tl) 검출기의시간분해능은앞서 7.98 ns 로평가되었으므로 DSSD 의시간분해능 (x) 은 ns 라고결정할수있었다 ( 식 7). 참고로검출기연결을해제하고펄스생성기를통해결정된 MUX-16 과그뒷단의시스템시간분해능은 2.56 ns 으로평가되었다. (Eq. 7) Fig. 10. Time difference spectrum measured with coincidence detection between DSSD and NaI(Tl) detection system. Fig. 8. Simplified schematic diagram of electronics used to determine timing resolution of DSSD. 결정된시간분해능을바탕으로최적의동시계수로직입력신호의너비 (width) 는 DSSD 의경우에는 200 ns, NaI(Tl) 검출기는 50 ns 로판단된다. 이는동시계수의시간윈도우를결정하는값이며, 시간분해능보다는몇배정도넓게잡아주는것이적절하다고알려져있다 [10]. 또한, 이중산란형컴프턴카메라의경우삼중동시계수를사용하고있고, 합에너지게이트를통해추가적으로우연동시반응을제거할수있으므로다소넓게잡아주는것이유효한반응을놓치지않고기록하는데에유리하다고판단된다 Cs 점선원에대한컴프턴영상 Fig. 9. Sum-energy spectrum measured with coincidence detection between DSSD and NaI(Tl) scintillation detector. 662 kev 감마선을방출하는점선원형태의 137 Cs 선원을사용하여컴프턴영상을획득하였다. 선원은이중산란형컴프턴카메라로부터 4 cm 앞에위치시켰고, 삼중동시계수를통해 10 시간동안데이터를획득하였다. 실험당일방사능의세기는 9.11 μci 정도였다 ( 제조사에서제시한기준일자와방사능의세기를지수감쇠법칙에적용하여계산하였음 ). 두산란부간거리는 10 cm 이며, 산란부와흡수부는 1 cm 거리를두었다. 삼중동시계수를통 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.35 NO.2 JUNE

6 kev FWHM 으로평가되었다. 그림 12 에서는이차원에너지스펙트럼을보여주고있다. x 축은첫번째산란부에전달된에너지이고, y 축은두번째산란부와흡수부에전달된에너지의합을나타낸다. 해당스펙트럼에서세검출기에전달된에너지의합이선원의에너지와같아지는대각선라인이보이고있으며, 박스형태로표현된이차원에너지게이트를적용하여우연동시반응들은제거하여주었다.

6 해총 6085 개의이벤트를획득하였으며, 각검출기들의에너지스펙트럼과합에너지스펙트럼을그림 11 에나타내었다. 노이즈를제거하기위하여설정된에너지선별준위는 DSSD 의경우에는 40 kev 였고, NaI(Tl) 검출기는 20 kev 였다. DSSD-1, 즉첫번째산란부의에너지선별준위는컴프턴카메라에서측정가능한최소산란각을결정하는중요한인자로서 40 kev 는약 18 의산란각에해당된다. 따라서높은영상감도를달성하기위해서는노이즈레벨을낮추어에너지선별준위를낮게유지하는것이중요한문제라생각된다. 그림 11 의합에너지스펙트럼에서선원의에너지에해당하는 662 kev 피크가선명하게나타나고있으며, 해당피크의반치폭은 52.6 kev FWHM 으로평가되었다. 그림 12 에서는이차원에너지스펙트럼을보여주고있다. x 축은첫번째산란부에전달된에너지이고, y 축은두번째산란부와흡수부에전달된에너지의합을나타낸다. 해당스펙트럼에서세검출기에전달된에너지의합이선원의에너지와같아지는대각선라인이보이고있으며, 박스형태로표현된이차원에너지게이트를적용하여우연동시반응들은제거하여주었다. 2 차원에너지게이트를적용하여최종적으로 1548 개의유효반응들을획득하였으며, 이들을사용하여영상재구성을실시하였다. 컴프턴카메라에서영상감도는유효반응의수를선원에서방출된감마선의수로나누어줌으로써구할수있으며, 이번실험에서의영상감도는 으로평가되었다 ( 식 8). 이때 137 Cs 선원에서 662 kev 감마선에대한붕괴당방출율 (yield, 85.1%) 을고려하였다. (Eq. 8) 앞서결정된영상감도는선원의위치에의존하는값이므로컴프턴카메라의고유효율 (intrinsic efficiency) 을추가적으로확인하여보았다. 이중산란형컴프턴카메라의고유효율은삼중동시계수로획득한유효반응의수 (= 1548 개 ) 를첫번째산란부에입사된감마선의수로나누어줌으로써구하였다. 선원에서방출된감마선중 7.87% 가검출기로입사되는것으로평가되었고, 이에 137 Cs 선원에대한고유효율은 임을확인하였다. 그림 13 에서는 1548 개의유효반응을사용하여재구성된컴프턴영상을보여주고있으며, 그림 14 에서는재구성된영상을 x 축으로프로젝션한분포를보여주고있다. 해당분포에가우시안피팅을하여영상해상도를구하였고, 이번실험에서는 137 Cs 점선원에대하여 8.4 mm FWHM 의영상해상도를획득하였다. 컴프턴영상기법에있어서영상해상도를표현하는또다른방법은각분해능 (angular resolution) 이다 [11]. 이각분해능은에너지로계산된산란각과반응위치로계산된산란각의차 (angular resolution measure) 를그림 15 와같이분포화시킨다음해당분포를가우시안 ( 또는보이트 ) 피팅함으로써구할수있다. 재구성된컴프턴영상을통해구할수있는길이단위의영상해상도는컴프턴카메라의성능뿐만아니 Fig. 11. Energy spectrum of component detectors and sum-energy spectrum measured with triple coincidence detection for 137 Cs gamma source. Fig. 12. Two-dimensional energy spectrum and energy gate for 137 Cs gamma source. Fig. 13. Reconstructed Compton image for 137 Cs point source at 4 cm in front of double-scattering Compton camera. 74 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.35 NO.2 JUNE 2010

7 Fig. 14. Projection distribution with fitted Gaussian curve for reconstructed Compton image. 와하나의흡수부검출기 (NaI(Tl) 섬광검출기 ) 로구성이되어있으며, 소형이면서도높은영상해상도를제공할수있는구조를가지고있다. 본연구에서는이중산란형컴프턴카메라를구성하고있는감마선검출기의에너지분해능및시간분해능을평가하고, 산란부검출기의에너지분해능에영향을미치는요인들을분석하였다. 구성검출기들의시간분해능을바탕으로현재시스템에서적절한동시계수시간윈도우를결정할수있었다. 그리고점선원형태의 137 Cs 감마선원에대한컴프턴영상을획득하고컴프턴카메라의성능을평가하였다. 산란부검출기의에너지분해능및반응위치분해능이개발중인이중산란형컴프턴카메라의성능을제한하고있는것으로판단되며, 이에최근반응위치분해능이현재사용중인 DSSD 보다 4 배우수한 DSSD (760 μm strip pitch) 를새로이도입하였으며노이즈레벨이낮은다채널신호처리모듈을개발하기위한노력을진행하고있다. 또한영상감도향상방안으로다수의흡수부검출기를사용하는시스템을제작하고있다. 감사의글 : 본연구는원자력연구개발사업 (BAERI, 핵심기초 ) 및지식경제부 (2008-P-EP-HM-E )/ 선광원자력 의연구비지원으로수행되었습니다. 참고문헌 Fig. 15. Angular resolution measure (ARM) distribution with fitted Gaussian curve. 라영상재구성알고리듬의성능에도영향을받는값으로종합적인성능평가가가능하지만, 각분해능은온전히컴프턴카메라구성검출기의성능에만영향을받는값이므로단순히영상장치의성능을표현하기에는각분해능이더욱적절하다고생각한다. 이번실험에서는 8.1 FWHM 의각분해능을획득하였다. 4. 결론 컴프턴카메라는공간상에존재하는방사선원의위치를 3 차원적으로확인할수있는감마선영상장치로서다양한목적으로활용될가능성을지니고있다. 예로, 의료진단목적으로인체내에주입된방사성동위원소의분포를영상화할수있으며방사성폐기물분석및대형원자력시설에서의방사화된오염원의추적등다양한분야에서활용될수있다. 이중산란형컴프턴카메라는두대의산란부검출기 ( 양면실리콘스트립검출기, DSSD) 1. 서희, 이세형, 박진형, 김찬형, 박성호, 이주한, 이춘식, 이재성. 4-D 전산모사기법을이용한회전형컴프턴카메라의영상특성평가. 방사선방어학회지 2009;34(3): Short course lecture note. Nuclear science for homeland security IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference. 3. Seo H, An SH, Kim JK, Kim CH. Monte Carlo study of a double-scattering Compton camera with GEANT4. Nucl. Instr. and Meth. A 2007;580: Seo H, Lee SH, Kim CH, An SH, Lee JH, Lee CS. Optimal geometrical configuration of a double-scattering Compton camera for maximum imaging resolution and sensitivity. Nucl. Instr. and Meth. A 2008;591: Seo H, Kim CH. Park JH, Kim JK, Lee JH, Lee CS, Lee JS. Development of double-scattering-type Compton camera with double-sided silicon strip detectors and NaI(Tl) scintillation detector. Nucl. Instr. and Meth. A 2010;615: Scannavini MG, Speller RD, Royle GJ, Cullum I, Raymond M, Hall G, Iles G. A possible role for silicon microstrip detectors in nuclear medicine: Compton imaging of positron emitters. Nucl. Instr. and Meth. A 2002;477: Toker O, Masciocchi S, Nygoard E, Rudge A, and Weilhammer P. VIKING, a CMOS low noise monolithic 128 channel frontend for Si-strip detector readout. Nucl. Instr. Meth. A 1994;340: JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.35 NO.2 JUNE

8 8. Wilburn C. Private communication xcom1.html 10. Knoll GF. Radiation detection and measurement. 3rd ed. New York; John Wiley and Sons, Zoglauer A and Kanbach G. Doppler broadening as a lower limit to the angular resolution of next generation Compton telescopes. Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. 2003;4851: Performance Evaluation of Component Detectors of Double-scattering Compton Camera Hee Seo *, Jin Hyung Park *, Chan Hyeong Kim *, Ju Hahn Lee, Chun Sik Lee, and Jae Sung Lee * Department of Nuclear Engineering, Hanyang University Department of Physics, Chung-Ang University Department of Nuclear Medicine and Interdisciplinary Program in Radiation Applied Life Science, Seoul National University Abstract - Prototype double-scattering Compton camera, which consists of three gamma-ray detectors, that is, two double-sided silicon strip detectors (DSSDs) as scatterer detectors and a NaI(Tl) scintillation detector as an absorber detector, could provide high imaging resolution with a compact system. In the present study, the energy resolution and the timing resolution of component detectors were measured, and the parameters affecting the energy resolution of the DSSD were examined in terms of equivalent noise charge (ENC). The energy resolutions of the DSSD-1 and DSSD-2 were, in average, 25.2 kev±0.8 kev FWHM and 31.8 kev±4.6 kev FWHM at the 59.5 kev peak of 241 Am, respectively. The timing resolutions of the DSSD and NaI(Tl) scintillation detector were ns FWHM and 7.98 ns FWHM, respectively. In addition, the Compton image was obtained for a point-like 137 Cs gamma source with double-scattering Compton camera. From the present experiment, the imaging resolution of 8.4 mm FWHM (angular resolution of 8.1 FWHM), and the imaging sensitivity of (intrinsic efficiency of ) were obtained. Keywords : Compton Camera, Double-scattering, Energy Resolution, Timing Resolution, Compton Image 76 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.35 NO.2 JUNE 2010

<3328BCADC8F1292E687770>

<3328BCADC8F1292E687770> 기술논문 이중모드컴프턴카메라의측면흡수부제작을위한신호처리회로개발 서희 *, 박진형, 박종훈, 김영수, 김찬형, 이주한, 이춘식 * 한국원자력연구원, 한양대학교원자력공학과, 중앙대학교물리학과 2011 년 9 월 8 일접수 / 2011 년 11 월 8 일 1 차수정 / 2012 년 2 월 21 일 2 차수정 /2012 년 2 월 22 일채택 본연구에서는이중모드컴프턴카메라의측면흡수부개발을위해