내응용에 딱 맞는 HPGe 검출기선택하기 목차 1. 소개... 2 2. HPGe 검출기의종류... 2 3. 어떻게검출기를선택할까?... 4 4. 분석가능한스펙트럼 : 좋은데이터? 나쁜데이터?... 4 5. 복잡한해결이더나은해결을위한방법인가?... 6 1) Compton Suppression System?... 6 2) Compton Suppression System 의장점... 6 3) Compton Suppression System 의단점... 7 4) 검출기의효율 ε(e)... 7 5) 시료의기하학은검출기의효율에가장큰요인이다... 8 6) 불감층, 입력창그리고흡수... 8 6. 시료의형태... 10 1) 필터와병과마리넬리비이커... 10 2) 마리넬리비이커이냐병이냐?... 11 3) Wrap-around 형의구조는?... 12 4) 우물형 (Well) 검출기... 12 7. 계수율의고려... 13 1) 계수율에대한분류... 13 2) 고계수율과그이상의계수율... 13 3) 계측에영향을미치는처리량... 14 4) 처리량이제한되는경우의최상의선택... 15 5) 저계수또는극저계수응용을위한 Low Background 검출기들.... 16 6) 응용예 :... 16 8. 결론... 17 소개 1
1. 소개 감마선분광을위한검출기에는여러가지종류가있습니다. 이검출기들은사용목적, 예산, 분석감마선핵종의종류와 activity등에의하여사용이결정됩니다. 이들중가장우수한분해능으로대부분의감마선핵종분석에사용되는 HPGe 검출기의선택은몇가지기본적인규칙들을바탕으로이루어집니다. 이규칙들은감마선이어떻게물질을투과하는가, 검출이어떻게이루어지는가, 그밖에감마선분광은어떤원리로나타나는가에대한것입니다. 이문서는사용자가어떻게현명하고최적의 HPGe 검출기를선택하는지를도와줄것입니다. HPGe 검출기는감마선의에너지및세기를분석할수있도록감마선을전기적인신호로전환시켜주는역할을하며, 이에맞는적절한신호처리장비를이용하여분석하게합니다. 2. HPGe 검출기의종류 다음에나올내용들을쉽게이해하기위해서먼저다양한형태의 HPGe 검출기에대해서알아보도록하겠습니다. HPGe 방사선검출기는크게역바이어스된다이오드 (diode) 로볼수있습니다. 게르마늄은 n-형 과 p-형 으로분류되며이는결정내에 acceptor 혹은 donor 의농도에의해결정됩니다. 이다이오드에신호증폭을위한전자회로를연결하기위해서는결정에접점을형성시켜야합니다. 이결정위의전기접점은두꺼운 Lithium(Li) 으로구성되는 N+ 접점과얇은이온주입형의 P+ 접점이있습니다. Li 접점은 Li을 Germanium(Ge) 내로확산시켜야하므로접점의두께가두껍습니다. 결정은어떠한형태로든절단되거나연마될수있습니다. 하지만결정내의전기장은매우중요하기때문에유용한모양은디스크 (disk) 형태나깊은중심부를가지는원통형으로제한됩니다. 원통형은한쪽끝이닫혀있어동축형 (Coaxial) 이라고불리며디스크형은평면형 (Planar) 이라고불립니다. 이는그림 1에나타나있습니다. 사용되는물질에따라 (n 또는 p 형 ) 접점의형태가다르게됩니다. P-형의경우는두꺼운 Li 접점이바깥쪽에형성되고얇은이온주입접점은내부에위치합니다. 이를 ORTEC에서는 GEM 검출기라고부릅니다. N-형의경우접점은반대로되며, ORTEC에서 GMX라고부르는검출기입니다. 또한매우짧은형태의 n-형동축검출기를 LO-AX라고부릅니다. 그림 2가이검출기의형태입니다. 소개 2
그림 1. P-type HPGe 검출기의구조 최근의개발에의해서 LO-AX 형태의검출기를 p-형의물질을이용하여제작하게되었으며, 이를 PROFILE 검출기라고부르고있습니다. 이검출기들은통상의 600µm의두꺼운접점을가지는 PROFILE GEM F 검출기와새로운기술을이용하여불감영역 10µm 정도의얇은두께의새로운 PROFILE GEM FX 를생산하고있습니다. 동축형은큰 ( 길이가긴 ) 검출기의제작도가능하지만크기가커지면그에따른정전용량 (capacitance) 이커지게됩니다. 그림 2. N-type HPGe 검출기의구조높은정전용량은분해능의저하로나타나며이때문에저에너지에서의분해능과고에너지의효율사이에는이율배반성을지니게됩니다. LO-AX는동축과평면형의중간상태이므로에너지분해능은우수하며효율면에서도평면형보다우수합니다. 새로운 p 형의 GEM PROFILE FX의경우특허인얇은접점과 p형의게르마늄을사용함으로써저에너지에서의효율을평면형의검출기에비해향상시켰으며전에너지영역에서월등한분해능을제공합니다. P 형의동축형검출기는현재계측실에서가장통상적으로사용되는검출기이지만점차적으로시료의형태에따른게르마늄의구조를최적화시킨 PROFILE series GEM의사용이늘어나고있습니다. N 형의동축검출기는얇은입력접점때문에저에너지의효율이증대되지만분해능은 P형에비해다소떨어집니다. 최근에발표된 PROFILE-FX 검출기는저에너지에서의효율과전에너지영역에걸쳐뛰어난분해능을제공하며필터와같이넓은시료에이상적입니다. 평면형의검출기의경우저에너지에서아주뛰어난분해능을나타내지만고에너지에서는분해능과효율에서저하현상이일어납니다. 이에반해 PROFILE-FX series GEM은전에너지영역에서뛰어난분해능을나타내지만, 작은크기의검출기에서는고에너지에서효율이저하됩니다. HPGe 검출기의종류 3
3. 어떻게검출기를선택할까? 먼저몇가지특징들을알기위해서다른형태의검출기로부터얻어진결과값을확인함으로써내응용에가장적절한검출기를선택할수있습니다. 최적의검출기를선택한다는것은최소의시간에분석가능한최저가격의검출기일것입니다. 대부분의문제들은복잡하거나특별한디자인이필요하지않으며간단한검출기로도해결할수있습니다. 4. 분석가능한스펙트럼 : 좋은데이터? 나쁜데이터? 좋은데이터 란관심이있는피크가좋은형태로형성되고잡음대신호비가우수한것을말합니다. 이것이가장중요한이유이며단지많은데이터를획득하는것이데이터를월등하게만드는것은아닙니다. 스펙트럼의질을판단하는한가지는그시스템의최소검출치 (Minimum Detectable Activity: MDA) 가얼마인가입니다. 분해능및백그라운드그리고효율이 MDA에어떤영향을끼치는지간단한관계식을통하여알아보도록하겠습니다. R(E)B(E) MDA(E) ~ ( 수식 1) ε(e) MDA는위의수식에서보듯이에너지에따라서그값이변하는값입니다. 이제부터 MDA 공식에사용된각인자들에대해서알아보도록하겠습니다. 붕괴당감마선, 차폐그리고측정시간이 MDA에영향을미치긴하지만이는모든검출기에거의동일하게적용됩니다. R(E) 는에너지의함수로써검출기의분해능을말하며 B(E) 는에너지에따른백그라운드를, ε(e) 는에너지에대한절대효율값입니다. 위에나타난간단한수식을이해하고활용함으로써최적의검출기선택을쉽게할수있습니다. MDA는효율에대해서는반비례하지만분해능과백그라운드의제곱근에는비례합니다. 따라서, 고효율의검출기를사용하면저준위시료에대해서최상의 MDA를제공한다고볼수있습니다. 하지만언제나고효율의검출기가최상의선택이될까요? 그럴수도있고아닐수도있습니다. 효율이높아질수록주어진측정시간내에 MDA를낮추어주기는하지만어떤조건에서시료를측정해야할지는반드시고려해야만합니다. 어떻게검출기를선택할까? 4
혹시스펙트럼에서관심있는피크가다른핵종에의해애매하게중첩되어있으십니까? 수식 1이물론정확한공식이지만대형 ( 고효율 ) 검출기의에너지분해능작은 ( 저효율 ) 의검출기에비해상대적으로나쁩니다. 이것은좋은분해능의검출기가고효율의검출기에비해더향상된 MDA를제공할수있음을의미합니다. 상대효율이증가함에따라백그라운드도증가합니까? 효율이증가함에따라백그라운드가증가하는것은분명합니다. 하지만많은대형의검 출기들의결과에서보듯이효율만큼백그라운드가급격한증가를보이지않는것은확 실합니다.( 그림 3) 따라 서대형검출기에서 MDA 는향상되게됩니다. 우주선백그라운드도역 시효율이증가하면서 증가하지만효율에비해 서적게증가하므로 MDA 는향상될것입니다. 여기서말한백그라운드 는통상의백그라운드를 말하는것으로서, 시료가 없을때의백그라운드를 말합니다. 그림 3. 다양한종류의검출기에서의백그라운드대검출기의크기 검출기의크기 ( 효율 ) 가증가됨에따 라피크대컴프턴비도증가하게 됩니다. 이는선원에의해생겨난 백그라운드에비해선원의피크의 비가증가됨을의미합니다. ( 그림 4) 그림 5 는이에대한하나의예입니 다. 두개의 GMX 검출기는같은시 료와조건에서측정하였으며, Am- 241 과 Cs-137 피크에대한값입니 다. 각피크들의비는명시된효율 의비만큼크게차이가나지않습 니다. 그이유는통상의검출기에 명시되는상대효율은 1.3MeV 에 그림 4. 동축형 P- 형검출기에서의상대효율에대한피크대컴프턴비 대한효율만을명시하기때문입니다. 선원에의해서발생되는백그라운드는대형검출기의경우더 분석가능한스펙트럼 : 좋은데이터? 나쁜데이터? 5
높게됩니다 (100keV 영역은제외 ). 하지만절대로각피크에서의효율값의비율보다백그라운드의비율이높지는않습니다. 이전에우주선과선원시료를배제한백그라운드에대하여언급한바있습니다. 시료의밀도가높은구조때문에컴프턴백그라운드가발생되었다면높은컴프턴대피크의비를가진검출기라도이컴프턴백그라운드를줄일수는없습니다. 예로사람의폐에존재하는플루토늄측정의경우자연방사능인 K-40와뼈에의한컴프턴산란에의해높은컴프턴백그라운드를보이게되며이는어떠한검출기로도감소시킬수없습니다. 5. 복잡한구성의시스템구축이반드시더나은해결을위한방법인가? 1) Compton Suppression System? 그림 5에나타난컴프턴백그라운드는원래의감마선에너지에서기인한것입니다. 잔류에너지혹은손실에너지가검출기에남은것입니다. 만일이런손실에너지를알아낼수있다면검출기에잔류하는감마선을제거할수있습니다. 컴프턴억제시스템 (Compton Suppression System: CSS, 그림 6) 은 HPGe에서탈출한감마선을검출하기위해서 NaI(Tl) 로환형태의검출기를제작그림 5. Cs-137과 Am-241로얻은 18% 와 98% 의하여 HPGe 주변을둘러쌉니다. HPGe와 NaI(Tl) 로부터의신호들은역동시계수를사용하여스펙트럼으로부터컴프턴산란에의한백그라운드를제거하게됩니다. 컴프턴억제시스템은주로 Cs-137로검사되며, 검출기에서제공되는 C/P의비를 5배이상증가시킬수도있습니다. 2) Compton Suppression System의장점주어진검출기에서컴프턴백그라운드를줄일수있으며이런종류를 active shield 라고부릅니다. 또한이시스템을사용하면우주선에의한백그라운드역시줄일수가있는데그이유는우주선역시외부의 active shield를투과검출기에도달하므로두종류의검출기에모두검출되기때문입니다. 복잡한구성의시스템구축이반드시더나은해결을위한방법인가? 6
3) Compton Suppression System 의단점 NaI(Tl) shield 내에시료를놓아야하므로시료의크기가작아야합니다. 역동시계수를위한신호처리장비들을정밀하게조작하고최상의성능을위해서그설정을유지하여야합니다. 또한이시스템의경우효율교정과정이상당히까다로운데그이유는일부핵종은동시에감마선을방출하기도하는데이로인해전체피크의감소가일어나기도하기때문입니다. 대다수의컴프턴억제시스템의경우가격이고가입니다. 대부분응용의경우작은검출기와컴프턴억제시스템을사용하는경우에비해고효율의검출기만을사용하는것이성능뿐만이아니라가격이나사용의편의성에서유리합니다. 고효율의검출기를 CSS와함께사용하는것은대부분의응용에부적합하며성능의개선이크게눈에띄지않습니다. 고효율의검출기들은이미그자체가높은 C/P 비를지니고잇기때문에현재고효율의검출기들이예전의 CSS 검출기들을빠르게대체해나가고있습니다. 4) 검출기의효율 ε(e) 수식 1에있는검출기의효율은 MDA에가장큰영향을미치게됩니다. IEEE-325에명시된 1.33MeV에서의상대효율에관련된정의는사용되는대부분의시료에는부적절할수있습니다. 이정의는단일선원을이용하여검출기표면으로부터 25cm를떨어뜨린후측정한것입니다. 하지만실제실험시시료는점선원의형태로검출기로부터 25cm를유지할수없습니다. 상대효율은종종검출기의성능을나타내는지표로사용됩니다. 에너지의변화에따른효율의변화가그림 7에나타나있습니다. 그림 6. ORTEC 의 Compton Suppression System 그림 7. 점선원을이용한평면형과동축형검출기의효율곡선 복잡한구성의시스템구축이반드시더나은해결을위한방법인가? 7
수식 1에나타난 ε(e) 는주어진에너지에서의절대효율을나타냅니다. ε(e) 는검출기와시료의기하학구조그리고검출기의고유효율, 불감증, 감마선의흡수등을포함한많은요인들에영향을받습니다. 따라서 IEEE-325에명시된효율정의는올바른검출기의지침이될수없습니다. 5) 시료의기하학은검출기의효율에가장큰요인이다. 그림 8은같은 IEEE-325 효율을가지는세가지의다른형태의검출기에대해여러분의시료와핵종에대해서다른효율을가짐을보여주고있습니다. 만일디스크형태의시료 ( 필터등 ) 라면같은 IEEE-325 효율의검출기중게르마늄결정의모양이길고얇은검출기에비해짧고두꺼운검출기가상대적으로월등한효율을나타내게됩니다. 만일여러분의시료가필터, 디스크또는넓은영역을지니고있다면 ORTEC의 GEM Profile F ( 또는 FX) 가최선의선택이될것입니다. Profile 검출기의경우 IEEE-325에서효율처럼게르마늄결정의크기를명시할수있습니다. 6) 불감층, 입력창그리고흡수 이제는분석하여야할감마선의에너지를고려해보도록 하겠습니다. 모든물질들은감마선을흡수하므로게르마늄 결정체와감마선을방출하는시료사이에존재하는물질은감마선을흡수하거나감쇠시키게됩니다. 이흡수는에너지에대한함수이며다음과같이지수함수적으로감쇄하게됩니다. I µ (E)X = I0e ( 수식 2) 여기서 I 0 는초기감마선의플럭스를말하며, I 는물질을통과한후의플럭스를, µ 는흡수체의감쇠 계수를, x 는흡수체의두께를나타냅니다. 이식을이용하면입사감마선을모두흡수하기위해서얼마의두께를지니는검출기가필요한지를 알수있으며입력창의두께와불감층의두께에따른효율의감소에대해서알수있습니다. 지수함 수는흡수나정지력 (stopping power) 을위한절대적인검출기의두께가존재하지않는다는것을의 미하며따라서얇은평면형의검출기는감소는일어나지만고에너지에서효율이 0 이되는것이아 니며두꺼운접점으로이루어진게르마늄검출기도저에너지에서효율이 0 은아님을의미합니다. 따라서최적의검출기선택은모든인자들간의적절한타협이이루어져야합니다. 그림 9 는 P 형과 N 형검출기의절대효율에대한차이를보여주고있습니다. 두개의검출기내의결 정체는거의같은직경이며단지 P 형의경우두께가약 14mm 정도두껍습니다. 그림 8. 3 가지같은 IEEE 상대효율을가지는다른형태의검출기 복잡한구성의시스템구축이반드시더나은해결을위한방법인가? 8
보시다시피 150keV 이상에서는효율이약간의차이를보이고있습니다. 에너지가증가함에따라두꺼운검출기가더많은감마선을흡수하므로약간차이를보이게됩니다. 150keV 이하에서 N형 (GMX) 은상대적으로높은효율을나타내며 100keV 이하에서는에너지가감소함에따라두종류의검출기의효율의차가급속하게증가함을볼수있습니다. 이것은 P형 (GEM: ~600µm) 의불감층이 N형 (GMX: ~0.3µm) 에비해매우두껍기때문입니다. 그림 9. n형과 p형의절대효율비교어떠한감마선도이불감층에서는전기적인신호를발생시키지못합니다. 60keV(Am-241) 에서는 GMX가 GEM검출기에비해약 1.7배가량절대효율이높으며수식 1에의해 Am-241의 MDA에그에따라비례적으로향상되게됩니다. 이것은 GEM이 Am-241을검출할수없다는것이아니며단지 GMX비해서상대적으로성능이떨어짐을의미할뿐입니다. 하지만 GMX의경우상대적으로가격이높으며 Cs-137의 661keV와같은감마선의경우 GMX와 GEM에서거의차이를보이지않습니다. GEM 검출기들이우수한분해능과 p/c를가지고있음을명심하신다면높은에너지의감마선측정에서는 GEM이더욱우월한 MDA를제공함을아실것입니다. [ 검출기종류선택의일반적방법 ] P형대 N형검출기 ~80keV-3MeV에서는 P형 (GEM) 검출기 왜??? GMX는 80keV 이상에서는아무런이득이없을뿐아니라높은가격과저하된분해능을제공합니다. ~10keV-3MeV에서는탄소섬유를입력창으로사용하는 N형 (GMX) 검출기 왜??? Beryllium 입력창의경우탄소섬유에비해 10keV에서 23% 향상된투과율을제공하지만인체에유해하고조심스럽게다루어야합니다. ~3keV-3MeV에서는 Beryllium을입력창으로사용하는 N형 (GMX) 검출기를사용하여야하지만사용시주의하여야합니다. 복잡한구성의시스템구축이반드시더나은해결을위한방법인가? 9
6. 시료의형태 감마분광분석에사용되는시료들은모양, 크기그리고화학적물리적인형태가여러가지입니다. 측정하고자하는 activity는거대한시료에서매우작은값일수도있고매우작은시료에서높은값일수도있습니다. 또한시료의구조가매우밀도가높고원자번호가매우높은물질로구성되어있어서감마선의감쇠에의해측정을매우어렵게만들수도있습니다. 스펙트럼이가장잘얻어지고따라서결과값이최적인검출기에시료를위치시킬것입니다. 시료를어떻게놓을것에대한선택과결정에외부적인이유가있을수있습니다. 몇가지이유들은다음과같습니다. 생체검정을위한인간의경우처럼고정된형태의시료인경우시료의형태를다른형태로 바꿀수없습니다. 광범위의 collimator 없는토양조사는폐기물드럼측정과는전혀다른기하학을지닙니다. 2 리터의마리넬리비이커와고효율의검출기가최상의선택이지만이미 1 리터비이커로표 준화되어있어서새로운검출기도현재의비이커에정확하게맞아야합니다. 1) 필터와병과마리넬리비이커 MDA는절대효율에의해결정되며절대효율은시료와검출기의배치에따라달라지게됩니다. 여러가지용기에따라시료의배치를다르게할수있습니다. 하나의검출기로부터측정된여러가지의시료에대해서보도록하겠습니다. 그림 10은검출기의직경보다조금작은종이필터를검출기에직접올려놓은상태입니다. 작은직경과큰직경의검출기중어떤검출기가종이필터에더좋을까요? 디스크형태의밀착된배치의경우최상의직경은디스크의약 1.2배가되는검출기입니다. 아주큰검출기가현저하게효율을높여주지못하며작은검그림 10. 종이필터, 마리넬리비이커출기는효율을저하시킵니다. 시료의형태역시효율에영향을미칩니다. 3가지시료에대한효율값이그림 10에나타나있으며세가지 시료의형태 10
예제중종이필터가가장좋은효율을보임을알수있습니다. 따라서가능하다면다른큰용기보다는디스크형태로시료를제작하여야합니다. 만일특정 activity 또는단위당 activity를측정하기를원한다면상황은바뀝니다. 이런실제경우에서는모든형태의시료와배치가가능한지를먼저고려하여야합니다. 만일시료중 1% 만을종이필터에담을수있으나 100% 의시료가마리넬리비이커에가능할때에는전체시료가영향을미치도록마리넬리비이커를사용하여야합니다. 같은검출기를사용한 1리터와 2리터의마리넬리비이커에대한효율이그림 11에비교되어있습니다. 1 리터가 2리터에비해효율이높다는것에놀라실것입니다. 하지만이것은단지기하학적구조때문에그렇습니다. 1리터비이커는상대적으로많은시료가검출기에가깝게위치해있습니다. 따라서 1000Bq의 activity를지닌 1리터마리넬리비이커가같은 1000Bq을지닌 2리터비이커에비해더많은 count를얻을 그림 11. 같은검출기에서의 1 리터와 2 리터 수있는것입니다. 그러나만일 2리터를채우기에부족한시료라면 2리터비이커를쓰는것은 1리터를쓰는것에비해더낮은결과값을낼것입니다. 2) 마리넬리비이커이냐병이냐? 그림 12에서보듯이마리넬리비이커의경우통상의병에비해서약 3배의효율을지닙니다. 마리넬리비이커는검출기의옆면도사용하므로효율을높일수가있습니다. 그러나저에너 그림 12. 1 리터 2 리터마리넬리비이커와 지에서는알루미늄이감마선을감쇠시키므로마리넬리비이커의장점은없습니다. 시료의형태 11
3) Wrap-around 형의구조는? 그림 13에서보듯이검출기위의작은원판형의시료가검출기의둥근면을둘러싼시료에비해높은효율을나타냅니다. 이기이한현상은다음과같이설명될수있습니다. 검출기의둥근면에위치한점선원을가정해보도록하겠습니다. 선원바로밑의게르마늄부분은검출기의윗부분에서처럼선원에가깝게위치합니다. 하지만여러각도로방사되는감마선을고려할때둥근면의게르마늄의경우평평한형태의윗변에비해먼거리에위치하그림 13. 원판형과 "Wrap-around" 의비교는꼴이됩니다. 하지만그림 12에서처럼 1리터와 2리터의마리넬리비이커처럼검출기의곡선면에근접한시료의면적을최대한으로넓힌다면 ( 검출기의평평한면보다훨씬크게 ) 효율을극대화할수있습니다. 그림 10에서보듯이검출기끝의평평한원판형시료가원통형시료에비해약 15배가량효율이높음을알수있습니다. 4) 우물형 (Well) 검출기우물형검출기는기하학적으로가능한강장큰효율을지니고있으나작은양의시료의분석만이가능하며기타다른복잡한문제들을내재하고있습니다. 이러한구조는복잡한 coincidence summing 의교정을필요로할수있습니다. 소프트웨어를이용하여이교정을수행할수는있지만, 이검출기를사용할때에는항상유의하여야합니다. 이검출기는법의학등시료의양이매우적을때유용합니다. [ 기하학의일반적규칙 ] 시료의무게중심이 Ge에가까울수록절대효율은높아지며 MDA가향상되게됩니다. 절대효율의증가와시료의측정시간의증가는 MDA를향상시킵니다. 만일모든시료를작은직경의원판형태로만들수있다면최상의구조는우물형검출기입니다. 원판형의시료의경우최상의효율을위해서는 Ge의직경이시료의최소 1.2배를넘어야합니다. 그림 14. 우물형검출기의단면도 시료의형태 12
최상의선택이란반드시최상의결과만을의미하는것이아니라비용의절감도중요합니다. 그림 15는 81% 와 181% 의상대효율을지니는검출기의점선원에대한효율곡선입니다. 두가지의검출기모두시료의직경보다큰직경을지니고있으므로중에너지이하에서는거의동일한효율을나타냅니다. 저에너지에서는검출기의외벽등의불감층때문에오히려 81% 의검출기에서효율이더높습니그림 15. 점선원을이용한 81% 와 181% 검출기다. 중에너지영역에서도검출기는충분한두께를지니고있으므로두개의검출기의효율차이는크게나지않습니다. 비로서 1MeV 이상이되어서야고효율검출기의장점이두드러지기시작합니다. 이러한응용에서의성능은 50keV~1MeV 영역대에서의성능은크게차이가나지않는반면가격에서는두배이상의차이를보입니다. 7. 계수율의고려 감마선분광에서여러분은가능한최상의성능을원하고계실겁니다. 고계수율의경우다른문제들이검출기와신호처리장비를구성하는데당면과제일수있습니다. 1) 계수율에대한분류 저계수율 (Low): 100 count per second 이하 고계수율 (High): 75,000 count per second 이상 초고계수율 (Very High): 100,000 count per second 이상 2) 고계수율과그이상의계수율 고계수율시스템의경우입력펄스당처리속도를최소화하기위하여짧은성형시간 (shaping time) 으로동작되어야합니다. 이는불감시간 (dead time) 을감소시키며최대의처리량 (throughput) 을제공합니다. 짧은성형시간은저하된분해능을의미하기는하지만, 항상현저한분해능저하를보이지는않습니다. 처리량은초당메모리에저장된유용한신호들의수량을의미합니다. 분리하기어려울정도로근접한펄스들은 pile-up 이라고부르며이들은펄스들의각에너지의판별이불가능하므로실제분석에사용될수없습니다. 당연히유용한신호들은총저장된신호보다작으며, pile-up 신 계수율의고려 13
호는스펙트럼에서신호대잡음비를증가시키기때문에분석에서사용할수없습니다. 따라서고계수율의응용의경우전체의측정이아니라양호한신호만을측정하여야한다는것을명심하셔야합니다. ORTEC의표준 GEM/GMX용전치증폭기 (Preamplifier) 의경우 145,000MeV/sec 그리고 LO-AX/GLP의전치증폭기의경우 4,000MeV/sec까지처리가가능합니다. ( 저항의변경에따라 GLP용전치증폭기의경우 10,000MeV/sec까지가능하기도합니다.) 위에서언급한 Resistor feedback preamplifier 의대체품으로 Transistor Reset Preamplifier(TRP) 형태가있으며이는실제적으로 1,000,000MeV/sec이가능합니다. 또다른형태로 Pulsed reset Preamplifier 의경우는포화현상이발생하지않으므로계수율의변화가광범위한응용적합하지만리셋과정에서불감시간을발생시킵니다. 따라서포화점이하에서는상대적으로적은신호의처리만이가능합니다. 3) 계측에영향을미치는처리량그림 16은전형적인시스템의처리량을나타내고있습니다. 최대처리량이상이되면 pile-up에의한손실때문에일정 MDA을위한시간관점에서보면최대처리량이상이되면측정시간은늘어나게됩니다. 이것은입력신호가증가함에따라서점점더적은수의정보만이메모리에저장되기때문입니다. 만일배치등의변경그림 16. 시스템의처리량곡선에의해서입력신호를줄일수있다면가장좋은방법은최대처리량에입력신호량을맞추는것일겁니다. 그러나사고감시등의응용의경우넓은범위의입력을지원하여야하므로넓은범위의계수를위한설정이필요합니다. 처리량은주증폭기의설정에영향을받습니다. 이설정은분해능과처리량모두에게영향을미치게되므로원하는분해능에맞추어설정하게되면시스템의가능한처리량이결정되는것입니다. 계수율의고려 14
4) 처리량이제한되는경우의최상의선택적절한검출기의선택은획득데이터의질을향상시킵니다. 저효율의검출기가고계수율의응용에적합할거라고생각하실겁니다. 이는짧은성형시간하에서의좋은분해능이중요한응용에서는확실히맞는말이지만모든경우에부합되지는않습니다. 그림 4로돌아가보면고효율의검출기는큰피크와낮은컴프턴언덕을형성한다는것을아실겁니다. 따라서처리량이제한된중또는고에너지측정을위한응용에서는비록두가지검출기모두처리량에서보면비슷한성능을보일지라도 collimator을사용한고효율의검출기가저효율의검출기에비해우수한데이터를획득할수있습니다. 고효율의검출기는저효율의검출기에비해컴프턴백그라운드에비해높은피크를형성합니다. 그림 17은상대효율 120% 와 12% 을가진 P-type (GEM) 검출기의스펙트럼을포개놓은것입니다. 120% 의검출기는 12% 의검출기와총입력을같게하기위하여 Collimator을설치하였습니다. 피크의크기는같은계수율조건에서실험결과 120% 검출기가 12% 검출기에비해서약 3배크게측정되었습니다. 따라서이경우고효율검출기가저효율검출기에비해약 3배향상된 MDA을제공한다고볼수있습니다. 그림 17. 12% 검출기와 collimator 를사용한 120% [ 고계수율의일반규칙 ] 여러분은항상상반되는필요와성능사이에서절충을하셔야합니다. 최대허용가능한분해능이얼마입니까? 이는주증폭기의성형시간을결정함으로써시스템의처리량을결정합니다. 저에너지에국한되어있습니까? 평면형검출기의경우짧은성형시간에서작동하므로 TRP처럼리셋에의한손실없이좋은분해능을제공합니다. 고에너지입니까? 양질의데이터를위해서는고효율의검출기에 collimator를사용하기를권장합니다. 고정된고계수율에서의사용이십니까? 최대처리량에서동작되도록계수율을조작하십시오. TRP or Resistive? TRP는광범위의계수율에적합하지만약간의처리량에저하가발생합니다. 계수율의고려 15
5) 저계수또는극저계수응용을위한 Low Background 검출기들. 거의모든물질에서는자연적인방사선을방출하며이는검출기내부에서도마찬가지입니다. 검출기에사용될물질들을적적히선택함으로써이런종류의방사능동위원소에의한백그라운드를감소시킬수있습니다. 어떠한검출기도방사능동위원소가전혀없는물질로만들수없으며이방사능동위원소들은마찬가지로피크와컴프턴백그라운드를만듭니다. * ORTEC의 Low Background 검출기옵션 LB Low Background XLB Low Background with lead backshield LLB - Low Background with remote preamplifier PLB Reduced Background in PopTop low Background 옵션은검출기제작에선택된물질들을사용함으로써검출기의비용이증가합니다. 이러한검출기의선택의결정에앞서다음을먼저고려하십시오. 어떤문제점을해결혹은완화시키려고합니까? 기본적인원칙은결과값의저하를발생시키는간섭요인들을제거하는것이어야합니다. 백그라운드언덕은통상이러한문제가되지않습니다. 6) 응용예 : 폐에누적된방사선량의측정의경우 K- 40의컴프턴이주요한백그라운드입니다. 만일우라늄을측정하여야한다면스펙트럼으로부터이러한백그라운드 ( 시료자체에서의컴프턴산란을포함하여 ) 의근원을반드시제거하여야합니다. In-Situ 측정의경우백그라운드의거의전부는검출기에서발생하는것이아닙니다. 외부방사선으로부터검출기차폐를하여야합니다. 그림 18. 다른종류의검출기의백그라운드비교 그림 18은여러종류의검출기들의백그라운드를보여주고있습니다. 만일여러분이 186keV의우라늄을측정하여야한다면 Low Background 검출기가통상의검출기보다필요합니다. 이유는통상의검출기에사용되는알루미늄체에는우라늄이자연적으로존재하기때문입니다. LB와 PLB등의검출기에는이대신에마그네슘을사용합니다. 계수율의고려 16
8. 결론 이응용자료가 HPGe의선택을위한여러가지요인들의선택을위한도움이되길바랍니다. 특정에너지의감마선을측정하거나지정된기하학과계수율의하에서의시료의측정을위한검출기를선택하실때몇몇선택은다른것보다우선되어야한다는것은확실합니다. 기타궁금하신점이있으 시면 LOOK@youngin.com 으로언제든지연락바랍니다. [ 방사능측정장비사용자만을위한 ORTEC Club] 지금가입하세요! ORTEC Club 바로가기 http://www.youngin.com/community/ortec 결론 17