New Physics: Sae Mulli, Vol. 68, No. 3, March 2018, pp. 348 352 http://dx.doi.org/10.3938/npsm.68.348 Development of a Portable Radiation Detector Using a Scintillator Chan-Woo Park Hong-Joo Kim Department of Physics, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea (Received 15 December 2017 : revised 5 February 2018 : accepted 8 February 2018) Portable radiation detectors are commonly used as real-time radiation monitors and personal radiation dosimeters. In this research, we have developed a portable radiation detector by using a light to frequency photosensor. This detector is constructed with only a MCU (micro-controller unit) and a sensor, which makes it more compact and portable than a conventional detector with an ADC chip and a circuit board. We used a photosensor called TSL238 that converts light intensity to digital frequency signals. We choose the raspberrypi, which is used to count frequency as the MCU. A raspberrypi is a small computer and has a wireless internet port so that we can control detector and acquire data remotely. We tested CsI, CsI(Tl), NaI crystals in order to find a better scintillator. We also tested the linearity of the detector by using X-rays produced by an X-ray generator, which we controlled by using the current and the voltage. survey meter. PACS numbers: 07.05.Hd, 07.85.-m Keywords: Photosensor, Dosimeter, Scintillator We measured the X-ray energy by using a 신틸레이터를기반으로하는휴대용방사선검출기개발 박찬우 김홍주 경북대학교물리학과, 대구 41566, 대한민국 (2017 년 12 월 15 일받음, 2018 년 2 월 5 일수정본받음, 2018 년 2 월 8 일게재확정 ) 휴대용방사능검출기는실시간으로방사선모니터링및개인방사선피폭량측정에사용되고있다. 이번 연구에서는전류 - 주파수컨버터가내장된광센서를사용하여초소형방사선검출기를개발하였다. 기존 검출기와달리 ADC 칩을넣을공간을빼고오직 MCU(Micro Controller Unit) 와센서만을사용하여 소형으로제작이가능하게되었다. 본실험에서사용한 TSL238 광센서는빛의세기를디지털신를로 전환하여출력된다. 이신호를분석하는 MCU 로라즈베리파이를선택했다. 라즈베리파이는소형컴퓨터 로서무선와이파이어뎁터를달아검출기를원격으로제어하고실험데이터를전송받았다. 신틸레이터는 CsI, CsI(Tl), NaI 를사용하여 X- 선테스트를수행하였다. X- 선발생장치에서전압을고정하고전류를 변화시켜가면서실험을했고검출기출력값으로선형성을확인하였다. 또한서베이미터 (survey meter) 로 X- 선의도즈값을측정하여개발한검출기와비교하였다. PACS numbers: 07.05.Hd, 07.85.-m Keywords: 광센서, 도즈미터, 신틸레이터 E-mail: hongjoo@knu.ac.kr This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Development of a Portable Radiation Detector Using a Scintillator Chan-Woo Park Hong-Joo Kim 349 I. 서론 한국의원자력산업의발전과더불어각종산업현장및의료분야에서방사선의사용이증가하고있다. 게다가 2011 년후쿠시마원전사고의발생이후일반인들에대한방사선피폭의우려와안전에대한관심이급격히증가하고있다 [1,2]. 현재시중에는개인용방사능측정기가이미판매되고있다. 그러나높은가격이부담되고휴대하기불편하여보급이원활하게이루어지지않고있다 [3]. 본연구에서는이런단점을없애기위해서아날로그방식이아닌디지털방식을선택하였다. 검출기에소형컴퓨터인라즈베리파이, 광센서, 신틸레이터만을사용하여개발하였다. 본연구에서개발한검출기는광증배관, 고전압공급기, 증폭기, 아날로그 - 디지털컨버터를사용하는기존의검출기와달리디지털광관서를사용한다. 또한고전압공급기와증폭기가없기때문에구조가간단하고크기가작다 [4]. 라즈베리파이에무선와이파이어뎁터를이용하여차폐된공간에서원격으로도즈값을확인할수있게되었다. 현장에서손이닿지않는지점에있는방사능을측정할수있을것이다. 그리고 X- 선발생기를사용하여검출기를테스트하고특성을조사하였다다 1. 검출기개발 II. 실험방법 Fig. 1. Block diagram of traditional analog detector and digital detector. Fig. 2. (Color online) A photograph of 5 5 5 mm 3 CsI (Tl) sample. 2) 섬광체 Fig. 1 은기존의검출기와본연구에서개발한검출기의구성도이다. 광증배관 (photo-multiplier tube, PMT) 과증폭기 (amplifier) 를사용하는기존의검출기와달리디지털광센서를사용하였다. 섬광체가방사능에반응하여가시광선을방출하고그방출된빛을광센서가디지털신호로바꾸어세기를측정한다. MCU 로디지털신호를분석하고분석한값은무선통신으로컴퓨터로전송한다. Fig. 2는본연구에서사용한신틸레이터는 5 5 5 mm 3 크기의 CsI(Tl) 이다. CsI(Tl) 은가장많이쓰는신틸레이터중에하나이며 550 nm의빛을내어서광센서와잘맞는신틸레이터이다. 섬광체는센서위에놓은뒤에테프론테이프로감싸고다시절연테이프로감싸빛과습기를막았다. [6] 1) 광센서 본연구에서광센서는값이싸고 ( 10) 작은크기 ( 5 5 5 mm 3 ) 이며높은분해능을가져야한다. 본연구에서는 ams 사의 TSL238 를선택했다. TSL238 은 1 mm 1 mm 포토다이오드와전류 - 주파수컨버터를내장한센서로빛의세기를디지털신호 (50% 사각파 ) 로출력한다. 디지털신호의주파수와빛의세기는비례관계 (1 µw/cm 2 ) 당 2.3 khz 의사각파출력 ) 에있으며 320 nm 에서 1050 nm 의빛에반응하며 700 nm 에서가장민감하다 [5]. 3) 라즈베리파이본연구에서 MCU는라즈베리파이를사용하였다. 라즈베리파이는교육용목적의초소형초저가의 PC이다 [7]. (35, 6.5 9.5 cm) 라즈베리파이는다른 MCU처럼범용입출력포트 (GPIO) 를통한디지털입출력이기능하면서이더넷과 USB포트가달려있어서홈네트워킹, 사물인터넷에개발용키트로광범위하게쓰이고있다. 본연구에서도무선통신이가능한점을착안하여검출기개발에라즈베리파이를사용하였다. Fig. 3은라즈베리파이와광센서를
350 New Physics: Sae Mulli, Vol. 68, No. 3, March 2018 Fig. 3. (Color online) A photograph of RaspberryPi with sensor. Fig. 4. (Color online) Program input and results. 연결한것이다. 라즈베리파이는입출력포트를통해검출기의출력값을읽고무선통신을통해서원격으로검출기를제어하고컴퓨터에결과를출력하게만들었다. 또한라즈베리파이는 5 V, 1 A의 micro usb 전원을사용한다. 따라서외장배터리를사용함으로서휴대용검출기로사용할수있게되었다 [8]. 4) 소프트웨어 라즈베리파이는광센서에서출력된사각파를입출력포트를통해읽을수있다. 이사각파를일정시간카운트하고빛의세기를구한후무선통신을통해측정값을컴퓨터로전달한다. Fig. 4와같이사용자는검출기와떨어진곳에서원격으로컴퓨터를통해측정시간을정하고검출기를작동시켜측정값을읽고저장할수있다. 라즈베리파이의프로그램개발은 C언어를사용하였고라즈베리파이를조작하는컴퓨터에는파이썬을사용하여추후에인터페이스를개선할수있도록하였다 [9]. Fig. 5. (Color online) How to measure the frequency. 선형성을확인해보았다. 또한신틸레이터를 CsI(Tl) 에서 CsI, NaI로교체하여검출기를측정하여어떤신틸레이터의효율이높은지확인해보았다. 그리고섬광체없이 X- 선을직접광센서로측정해보았다. 이를통해신틸레이터를사용한것과사용하지않은것을비교하여신틸레이터를쓰는것이더효율적인것을알아보았다. 2. 검출기측정 1) 신틸레이터측정본실험에사용된 X-선발생장치는공급전압을바꾸어서 X-선발생에너지를조절할수있고, 전류를바꾸어서 X-선강도를조절할수있다. X-선발생장치에서나온 X-선을전류를바꾸어가며조사했고검출기로주파수값을측정하여 2) 서베이미터측정 X-선발생장치에서나오는 X-선의에너지의양을측정하기위해서서베이미터 (FH 40G) 를사용했다 [10]. 서베이미터는방사능을 nsv/h의단위로측정한다. 서베이미터로측정한결과와검출기로측정한결과를그래프로나타내었다. 이를통해검출기의주파수를도즈값으로교정하였다.
Development of a Portable Radiation Detector Using a Scintillator Chan-Woo Park Hong-Joo Kim 351 Table 1. Result of detector in two method. X-ray current Sum of Average of freq (ma) pulse count (Hz) 0.2 1831 1762 0.4 4047 4018 0.6 5596 5558 1.0 7903 7833 1.2 10110 10000 1.4 14516 14409 Fig. 6. (Color online) Relative light intensity of CsI, CsI(Tl), NaI and light sensor only. 와광센서에서나오는신호의개수가선형관계임을알수있었다. 또한 CsI(Tl), NaI, CsI의출력값이다름을확인하였다. 예상대로 CsI(Tl) 의신호가가장컸다. 섬광체없이광센서로만 X-선을측정한결과는신틸레이터와마찬가지로선형성을보였으나신틸레이터가있는것보다훨씬낮은것을알수있었다. 2. 서베이미터측정 Fig. 7. (Color online) Relative light intensity measured by dosimeter. Fig. 7은정확한 X-선의도즈 (dose) 값을측정하기위해서서베이미터를써서 nsv/h 단위로측정결과이다. 또한이를통해검출기에서측정된주파수와도즈값이비례관계임을알수있었다 (1 nsv/h당 260 Hz). 3) 주파수측정 3. 주파수측정 Fig. 5는광센서에서나오는디지털신호의주파수를라즈베리파이에서측정하는 2가지방법이다. 하나는 1초동안신호의개수 (n) 를카운팅하고그개수를시간으로나누는방법 (n/1) 이있고두번째방법은한개의신호가시작하고끝나는시간 (t) 을라즈베리파이의클럭카운터로구하고역수를취하는방법 (1/t) 이있다. 전자의경우에는각기다른주파수를가진신호를구별할수없고후자의경우에는한신호의시간이라즈베리파이의클럭속도 (1 MHz) 보다빠르면제대로처리할수없다는단점이있다. III. 결과및분석 1. 신틸레이터측정 Fig. 6는 X-선발생장치에서공급전류를올려가면서검출기로측정한결과값이다. X-선발생기에인가된전류 사각파사이의간격을측정하여역수로치환하여주파수를구하였다. 결과는 Table 1에나타난것같이카운터한방법보다낮은주파수가구해졌으나결과는비슷하게나왔다. 이와같은약간의차이가생긴것은사각파의주파수를일일이카운트할때는원래주파수값과암전류 (dark current) 값이합해져서구했기때문이다. IV. 결론본실험에서는저가형휴대방사선검출기를개발하기위하여광센서 (TSL238) 와 MCU( 라즈베리파이 ) 를사용했다. 또한사용자가쉽게사용할수있도록인터페이스를구성하고무선통신을통해원격으로검출기를이용할수있게하였다. 검출기로 CsI, CsI(Tl), NaI를측정하여광센서에가장적합한신틸레이터가 CsI(Tl) 임을알아냈다. X-ray 발생장치의전류를조절하여빛의세기와출력값의선형성
352 New Physics: Sae Mulli, Vol. 68, No. 3, March 2018 을확인하였다. 신틸레이터없이 X-선을광센서로측정이가능함을알아냈으며동시에신틸레이터의섬광량이매우큰것도확인했다. 검출기와서베이미터를사용하여신틸레이터에조사된도즈량을측정하였고도즈값을교정할수있음을확인하였다. ACKNOWLEDGEMENTS These investigations have been supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science and Technology, Korea (MEST) (No. NRF-2017M2A8A4018678). REFERENCES [1] Y. J. Bae and Y. M. Kim, in Proceedings of The Korean Society of Radiology Fall Conference (2014), p.77-80. [2] J. C. Ha and Y. Song, J. Radiat. Prot. Res. 41, 7 (2016). [3] B. Hwang, J. Y. Lim, J. H. Shin and B. H. Song, in Proceedings of Korean Institute of Information Scientists and Engineers Winter Conference (2014), pp. 343-345. [4] G. H. Zschornack, Handbook of X-Ray Data (Springer Science & Business Media, 2007), p. 121. [5] TSL238 Datasheet, http://datasheet.octopart.com/ TSL238D-TAOS-datasheet-162670.pdf (accessed Feb. 5, 2013). [6] Saint-Gobain Crystals, https://www.crystals.saint gobain.com/sites/imdf.crystals.com/files/document s/csitl-and-na-material-data-sheet_69771.pdf (acce ssed Feb. 5, 2013). [7] S. Shah,Learning Raspberry (Pi, Packt Publishing Ltd, 2015), pp. 1-3. [8] M. Richardson and S. Wallace, Getting Started with Raspberry (Pi, Packt Publishing Ltd, 2012), pp. 1-5. [9] D. Nixon, Getting Started with Python and Raspberry (Pi, Packt Publishing Ltd, 2015), pp. 155-174. [10] Thermo scientific, http://www.dozimetrs.lv/pdf/ Info.pdf (accessed Feb. 5, 2013).