디지털 SiPM 기반 다층구조 콤프턴 카메라 개발

Abstract

감마선원의 위치를 영상화할 수 있는 콤프턴 카메라는 측정 가능한 감마선 에너지의 범위가 넓을 뿐만 아니라 field-of-view (FOV) 역시 넓어 원자력 산업분야에 널리 활용될 수 있다. 본 연구에서는 원거리에 있는 방사선원의 위치를 단시간 내에 추적할 수 있는 섬광체 기반의 다층구조 콤프턴 카메라를 설계하고 이를 검증하기 위하여 실증장치를 제작한 후 측정을 통해 성능을 평가했다.

본 연구에서는 단결정 GAGG:Ce 섬광체와 디지털 실리콘 광증배관을 결합해 4대의 섬광 검출기 모듈을 제작했고, 이를 이용해 영상감도를 최대로 하는 다층구조 콤프턴 카메라를 설계했다. 이때, 시스템의 검출 효율을 향상하기 위해 각 검출기 모듈은 각각 최대한 근접하도록 위치시켰다. 본 연구에서는 또한 개발될 콤프턴 카메라의 각도 분해능을 향상하기 위해 단결정 섬광체 내에서의 반응위치를 정확하게 결정할 수 있는 알고리즘을 새로이 개발했다. 입사된 감마선의 2차원적 반응 위치(x, y) 오차는 가우시안 노이즈 기반의 확률론적 위치결정 알고리즘을 구현하여 보완했으며 지름 1 mm 점선원에 대해 위치 분해능은 2.9 mm-FWHM를 달성했다. 한편 깊이 방향 반응위치(z) 오차는 SOE 알고리즘의 해상도 복원 기법을 적용해 보완했다. 영상 재구성은 기본적인 단순 역투사(simple-back projection) 알고리즘을 통해 감마선 영상을 통한 방사선원 추적이 가능한지 확인했고 좀 더 향상된 기법으로 알려진 list-mode MLEM 알고리즘을 사용하여 방사선원의 위치 분해능을 향상할 수 있었다. 한편, 170° 화각을 갖는 어안렌즈를 이용해 광학 영상을 획득하고 이를 재구성된 콤프턴 영상에 함께 결합하여 사용자가 방사선원의 위치를 보다 직관적으로 알 수 있도록 했다.

다층구조 콤프턴 카메라의 성능은 검출효율 및 각도 분해능, FOV, 그리고 다중 선원의 영상화 측면에서 실험적으로 평가했다. 검출 효율 및 각도 분해능을 평가하기 위해 137Cs (9.5 μCi, 662 keV) 점선원을 검출기 앞 30 cm 거리에 위치시키고 1시간 측정했다. 이때 시스템의 에너지 분해능은 11.8%로 평가됐으며 각도 분해능은 8.3°, 고유 검출효율은 5.1E-4로 평가됐다. FOV를 평가하기 위해 137Cs (9.5 μCi, 662 keV) 점선원을 검출기 중심으로부터 30 cm 떨어진 위치에 각도별로 각각 0°, 45°, 그리고 90°에 위치시키고 1시간 측정했다. 측정실험을 통해 본 연구에서 개발한 다층구조 콤프턴 카메라는 각 2π-FOV를 갖는 각도별 위치에서 감마선원의 위치추적이 가능함을 확인했다. 또한, 다중 선원을 동시에 영상화 할 수 있는지를 평가하기 위해 137Cs (9.5 μCi, 662 keV) 점선원과 60Co (8.2 μCi, 1173, 1332 keV) 점선원을 검출기 중심으로부터 45°, 125°에 위치시키고 측정했다. 그 결과 두 선원의 위치 역시 동시에 영상화가 가능함을 확인했다. 또한 광학영상과의 정합을 통해 선원의 위치를 직관적으로 확인할 수 있음을 실험적으로 보였다.