KR20010064424A

KR20010064424A - Real-time small size dosimeter for high dose gamma-ray using Power pMOSFET

Info

Publication number: KR20010064424A
Application number: KR1019990064620A
Authority: KR
Inventors: 이남호; 김승호; 육근억
Original assignee: 장인순; 한국원자력연구소; 이종훈; 한국전력공사
Priority date: 1999-12-29
Filing date: 1999-12-29
Publication date: 2001-07-09
Also published as: KR100353047B1

Abstract

PURPOSE: A γray real-time small dosimeter for high level radiation using a power pMOSFET is provided to prevent troubles and erroneous operation of equipments used in a high radiation area and estimate the lift of the equipments. CONSTITUTION: A γray real-time small dosimeter for high level radiation using a Power pMOSFET includes an accumulation sensor(1) increasing threshold voltage linearly according to the radiation bombed amount, a JFET-1(2) and a JFET-2(3) regularly supplying little current generated by little displacement difference generated between gates to a drain electrode to measure the threshold voltage of the accumulation sensor, and a variable resistance(4) controlling the supplied current to be fit to the kind of pMOSFET.

Description

ＰｏｗｅｒｐＭＯＳＦＥＴ을 사용한 고준위 방사선용 γ선 실시간 소형 선량계{Real-time small size dosimeter for high dose gamma-ray using Power pMOSFET}Real-time small size dosimeter for high dose gamma-ray using Power pMOSFET}

본 발명은 Power pMOSFET을 사용한 고준위 방사선용 γ선 실시간 소형 선량계에 관한 것으로, 특히 원자력 발전소내 1차측 주요기기 및 고준위 방사선 환경 작업용 장비의 방사선 피폭으로 인한 고장 예방 및 수명을 예측하기 위한 방사선누적 모니터링 장치로 사용할 수 있으며, 또한 인공위성이나 우주선 등에서 우주 방사선의 분포 측정용 장치와 우주 방사능 차폐연구 등에도 사용이 가능하다.The present invention relates to a high-level radioactive γ-ray small-scale dosimeter using a power pMOSFET, and in particular, a radiation accumulation monitoring device for predicting failure and life expectancy due to radiation exposure of primary equipment and high-level radiation environment work equipment in a nuclear power plant. It can also be used for measuring the distribution of cosmic radiation in satellites and spacecrafts, and for research on cosmic radiation shielding.

고준위 방사선 지역의 기기 및 작업용 로봇 등은 방사능의 피폭으로 인한 심각한 손상에 노출되어 있으며 기준치 이상 피폭이 될 경우 오동작 및 고장을 유발하게 된다. 이를 사전에 방지하기 위하여 이들 장비 및 기기들이 피폭되는 방사능의 값을 누적하여 실시간으로 모니터링하고 있다가 기준치에 도달하기 직전에 고방사선 환경에서 작업 장비를 철수시키거나 기기 및 장비를 교체하게 되면 사고를 예방할 수 있을 뿐만 아니라 반대의 경우 수명 이전에 교체할 경우에 발생되는 경제적 손실을 줄일 수도 있다.Equipment and work robots in high-level radiation areas are exposed to serious damages due to radiation exposure, and if exposed above the standard value, malfunctions and failures will occur. In order to prevent this in advance, these devices and devices are monitored in real time by accumulating the radiation values exposed to them, and when the withdrawal of work equipment or replacement of devices and equipment in a high-radiation environment immediately before the threshold is reached, Not only can it be prevented, but vice versa, it can also reduce the economic loss of replacing it before its lifetime.

고방사선 환경 작업용 기기 및 장비, 그리고 이동 로봇의 방사능에 대한 수명은 100KRad가 최대 기준치로 설정되어 있으므로 이 범위까지의 고준위방사능 누적량을 실시간으로 지시해 주는 방사선에 강한 선량계의 개발이 필요하다.Since the radioactive lifespan of high-radiation devices and equipment and mobile robots is set to a maximum threshold of 100 KRad, it is necessary to develop a radiation-resistant dosimeter that indicates the accumulated high-level radioactivity up to this range in real time.

하지만 종래의 반도체를 이용한 선량계들은 주로 개인용 선량계를 목적으로 1KRad 이하의 낮은 방사선 범위가 감지영역이며, 특히 방사선 감지용으로 특수하게 제작된 고가의 pMOSFET을 사용하여 제조원가가 비싸다는 문제점이 있다.However, conventional dosimeters using semiconductors have a low radiation range of 1 KRad or less for the purpose of personal dosimeters, and there is a problem in that manufacturing cost is high using expensive pMOSFETs specially manufactured for radiation detection.

도 2는 종래의 pMOSFET을 이용한 선량계의 한 실시예를 보인 회로도를 도시하고 있는데, 그 구성은 pMOSFET을 사용한 누적센서와 증폭기로 구성되어 있다.Fig. 2 shows a circuit diagram showing an embodiment of a conventional dosimeter using a pMOSFET, which is composed of a cumulative sensor and an amplifier using a pMOSFET.

하지만 이러한 일반적인 MOS는 채널이 수평 방향으로 형성되어 작은 전류만이 수평으로 흐르는 되고, 이러한 선량계는 정전류를 만드는 소자를 도 2 에서와같은 방사선에 약한 증폭기 등을 사용하여 만들었기 때문에 고준위 방사선 지역에서 사용하게 되면 오동작을 유발하게 된다는 문제점이 있다.However, this general MOS channel is formed in the horizontal direction, only a small current flows horizontally, and such a dosimeter is used in a high level radiation region because a device for making a constant current is made using an amplifier, which is weak to radiation, as shown in FIG. There is a problem that causes a malfunction.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 1KRad와 100KRad 범위의 γ방사선 피폭에 대하여 선형적인 감지 특성을 갖는 Power pMOSFET을 이용한 방사선 누적센서와 100KRad 범위의 고준위 방사선 피폭에도 전혀 영향을 받지 않는 전자회로만으로 구성하여 고방사선 지역에서 사용되는 기기 및 장비의 방사선 피폭으로 인한 고장 및 오동작을 예방하고 이들의 수명을 예측할 수 있는 방사선 피폭 측정용 선량계를 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is that the electron is not affected at all by the radiation accumulation sensor using the power pMOSFET having a linear sensing characteristic for the γ radiation exposure in the range of 1 KRad and 100 KRad and the high level radiation exposure in the 100 KRad range It consists of a circuit only to provide a dosimetry for radiation exposure measurement that can prevent failures and malfunctions caused by radiation exposure of devices and equipment used in high radiation areas and predict their lifespan.

도 1은 본 발명의 Power pMOSFET을 사용한 고방사선용 γ선 실시간 소형선량계의 내부구조 및 회로도이다.1 is an internal structure and a circuit diagram of a high radiation gamma ray real-time dosimeter using the Power pMOSFET of the present invention.

도 2는 종래의 pMOSFET을 이용한 선량계의 한 실시예를 보인 회로도이다.2 is a circuit diagram showing an embodiment of a dosimeter using a conventional pMOSFET.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

(1) 누적센서 (2) JFET-1(1) Accumulation sensor (2) JFET-1

(3) JFET-2 (4) 가변저항(3) JFET-2 (4) Variable resistor

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.When described in detail with reference to the accompanying drawings, the configuration and the operation of the embodiment of the present invention to achieve the object as described above and to perform the task for eliminating the conventional drawbacks.

도 1에서와 같은 구조를 갖는 본 발명 Power pMOSFET을 사용한 고방사선용 γ선 실시간 소형 선량계는 1KRad와 100KRad 범위의 γ방사선 피폭에 대하여 선형적인 감지 특성을 갖는 Power pMOSFET을 이용한 방사선 누적센서(1)와 100KRad 범위의 고준위 방사선 피폭에도 전혀 영향을 받지 않는 방사선에 강한 JFET-1(2) JFET-2(3)와 가변 저항(4)소자로만 구성한 전자회로부로 구성되어 있다.The high-radiation γ-ray real-time small dosimeter using the present invention power pMOSFET having the structure as shown in FIG. 1 has a radiation accumulation sensor 1 using a power pMOSFET having a linear sensing characteristic with respect to γ-radiation exposure in the range of 1 KRad and 100 KRad. It consists of an electronic circuit section consisting only of a JFET-1 (2) JFET-2 (3) and a variable resistor (4) element that is resistant to radiation, which is not affected at all by the high level radiation exposure in the 100 KRad range.

도 1에서처럼 기존에 사용한 적이 없는 일반적인 상용의 Power pMOSFET을 γ방사선 누적 센서(1)로 사용함으로서 1KRad에서 100KRad 범위의 고준위 방사선 지역에서의 피폭 누적 방사선에 대한 우수한 선형값을 나타내는 센서로서 구현할 수 있다는데 착안을 하였다.As shown in FIG. 1, a general commercially available power pMOSFET, which has never been used previously, can be used as a γ-radiation accumulating sensor 1, and thus it can be realized as a sensor exhibiting an excellent linear value for the cumulative radiation in high-level radiation regions ranging from 1 KRad to 100 KRad. Was done.

대전력용 회로에서 스위치나 증폭기로 사용되는 소자인 Power pMOSFET은 전류를 흐르게 하기 위한 채널이 기존 pMOSFET처럼 수평방향이 아닌 수직방향으로 형성됨으로써 누설전류와 경계면에서의 전하 축적으로 인한 단점을 극복할 수 있다는 장점을 가지고 있다.Power pMOSFET, a device used as a switch or an amplifier in a large power circuit, can overcome the disadvantages of leakage current and charge accumulation at the interface by forming a channel for flowing current in a vertical direction rather than a horizontal direction like a conventional pMOSFET. It has the advantage of being.

그리고 100KRad까지의 피폭 방사선 값을 추출하기 위해서는 선량계를 구성하는 회로 역시 방사선에 영향이 없어야 하며 소형 경량화를 위해서는 최소의 부품만을 사용하는 것이 유리하다.In order to extract the exposure radiation value up to 100KRad, the circuit constituting the dosimeter should also have no influence on the radiation, and it is advantageous to use only the minimum components for the small size and light weight.

이를 위하여 Power pMOSFET의 출력 전압(문턱전압)을 추출하기 위한 회로로서 필요한 정전류 회로를 방사선에 아주 강한 JFET-1(2),JFET-2(3)와 가변 저항(4)으로만 최적화하여 구현하는 방법을 채택하였다.For this purpose, the constant current circuit required to extract the output voltage (threshold voltage) of the power pMOSFET is optimized by implementing only the JFET-1 (2), JFET-2 (3) and the variable resistor (4) which are very resistant to radiation. The method was adopted.

이하 본 발명의 작용을 설명하겠다.Hereinafter will be described the operation of the present invention.

도 1의 선량계를 고방사선 지역에 투입하게 되면 선량계를 구성하는 모든 소자는 방사선에 피폭된다.When the dosimeter of FIG. 1 is put into a high radiation area, all elements constituting the dosimeter are exposed to radiation.

이때 JFET-1(2),JFET-2(3)와 가변 저항(4)은 방사선에 강한 소자이므로 특성변화가 거의 없지만 상대적으로 방사선에 약한 power pMOSFET은 방사선의 피폭량에따라 소자의 물리적, 전기적 특성들이 변화하게 된다.At this time, since JFET-1 (2), JFET-2 (3) and variable resistor (4) are radiation-resistant devices, there is almost no change in characteristics, but relatively weak power pMOSFETs are physical and electrical characteristics depending on the radiation dose. Will change.

이 변화하는 특성 중의 하나인 pMOSFET 문턱전압(Threshold Voltage)은 방사선의 피폭량에 따라 선형적으로 값이 증가하는 특성을 보여준다.One of these changing characteristics, the pMOSFET threshold voltage, shows a characteristic that the value increases linearly with the radiation exposure.

따라서 이 전압을 원격지인 로봇의 제어반으로 제공하여 피폭되는 방사선량을 원격지에서 실시간으로 관측할 수 있다.Therefore, this voltage can be provided to the control panel of the remote robot so that the radiation dose to be exposed can be observed in real time from the remote site.

이 문턱전압을 측정하기 위해서는 pMOSFET의 드레인 전극에 미소한 정전류를 공급하여야 하며, 이 전류는 pMOSFET의 출력전압의 변화에 영향이 없는 일정한 값을 유지해야 한다.In order to measure this threshold voltage, a small constant current must be supplied to the drain electrode of the pMOSFET, and this current must be maintained at a constant value without affecting the output voltage of the pMOSFET.

이를 위해 도 1에서는 JFET-1(2)과 JFET-2(3) 게이트 사이에 생기는 작은 전위 차로 인해 발생되는 작은 전류를 Power pMOSFET에 일정하게 공급할 수 있도록 구성하였고 이 전류값은 pMOSFET의 종류에 맞게 가변저항(4) 조정할 수 있도록 하였다.To this end, in FIG. 1, a small current generated due to a small potential difference between the gates of JFET-1 (2) and JFET-2 (3) can be constantly supplied to the power pMOSFET. The variable resistor 4 can be adjusted.

그리고 본 발명의 감지 방사선은 γ선만 한정하는 것이 아니라 다른 방사선에도 반응을 하지만, 주로 감마선에 반응을 하게 되고 이동로보트의 작업 지역이 감마선이 주로 나오는 지역이기 때문에 주로 γ선에 관해서만 설명한 것은 통상의 지식을 가진 사람에게는 당연한 사실이다.In addition, although the detection radiation of the present invention not only restricts γ-rays but also responds to other radiations, it mainly reacts to gamma rays, and since the working area of the mobile robot mainly emits gamma rays, only the γ-rays are mainly described. It is a matter of course for those with knowledge.

이하 본 발명과 종래의 선행기술과의 차이점을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the difference between the present invention and the prior art will be described.

먼저 종래 특허인 Solis State Dosimeter(미국, 4,757,202)와 비교하여 설명하면 본 발명은 JFET와 가변 저항 만으로 선량계 회로를 구현되어 본 방사선 선량계는 고준위 방사선(1KRad∼100KRad)을 감지하는 선량계이며 따라서 주변회로도 또한 방사선에 강한 소자로만 구성되어 있는 점이 종래 특허와 다르다.First, in comparison with the conventional patent Solis State Dosimeter (US, 4,757,202), the present invention implements a dosimeter circuit using only a JFET and a variable resistor, so the radiation dosimeter is a dosimeter for detecting high-level radiation (1 KRad to 100 KRad). It is different from the conventional patent in that it consists only of the element which resists radiation.

또한 종래 특허인 Direct Reading Dosimeter(미국, 4,484,076)와 비교하여 설명하면 본 발명은 상용의 Power pMOSFET을 방사선 누적 센서로 구현되어 있고, 수직 채널 형성으로 인해 일반 MOSFET에 비해 단점이 적은 Power pMOSFET을 사용한 고준위용 방사선 선량계라는 점이 종래 특허와 다르다.In addition, when compared with the conventional patent Direct Reading Dosimeter (US, 4,484,076), the present invention implements a commercially available power pMOSFET as a radiation accumulation sensor, and has a high level using a power pMOSFET having fewer disadvantages than a general MOSFET due to vertical channel formation. It is different from the conventional patent in that it is a radiation dosimeter.

그리고 참고문헌 및 학회지 등에 나와 있는 기술인 Graham ENSELL, etc "Thick Oxide pMOSFET Dosimeter for High Energy Radiation," Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, 1988, 655-658와 비교하여 설명하면 선행 기술이 특수하게 제작한 pMOSFET을 이용하여 개인 10KRad까지 선형적 특성을 갖는 방사선 선량계인데 반해 본 발명은 고준위 방사선량(∼100KRad) 선량계이며 일반 power pMOSFET을 사용하였고, 월등히 우수함 선형성을 갖추고 있다는 차이점이 있다.And compared with Graham ENSELL, etc. "Thick Oxide pMOSFET Dosimeter for High Energy Radiation," Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, 1988, 655-658, a technology in references and journals, pMOSFET In contrast to the radiation dosimeter having a linear characteristic up to 10 KRad per person, the present invention is a high-level radiation dose (˜100 KRad) dosimeter and uses a general power pMOSFET, and has an excellent linearity.

또한 참고문헌 및 학회지 등에 나와 있는 기술인 J. R. Schwank, S. B. Roeske, etc, "A Dose Rate Independent pMOSFET Dosimeter for space Application," IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 43, No. 6, 1996와 비교하여 설명하면 선행 기술이 방사선 감지용으로 제작된 pMOSFET을 이용한 선량계로서 100KRad 영역까지의 방사선에 반응을 나타내지만 선형성은 20KRad 까지만 유지된다는 단점이 있는데 반해 본 발명은 20KRad 이상에서도 100KRad까지 선형성을 잘 유지하고 있고, 고가의 소자를 개발하지 않고 상용의 일반소자를 고준위 방사선 선량계로서 구현하였다는 차이점이 있다.See also J. R. Schwank, S. B. Roeske, etc, "A Dose Rate Independent pMOSFET Dosimeter for space Application," IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 43, No. 6, compared with 1996, the prior art is a dosimeter using a pMOSFET fabricated for radiation detection, but responds to radiation up to 100KRad region, but the linearity is maintained only up to 20KRad, whereas the present invention is up to 100KRad even if 20KRad or more There is a difference in that linearity is maintained well and commercial devices are implemented as high-level radiation dosimeters without developing expensive devices.

상기와 같은 본 발명은 특수하게 제작된 고가의 센서를 개발하여 사용하지 않고 상용의 power pMOSFET을 사용함으로써 경제적이고 수직으로 채널을 형성시켜 대전류를 흐르게 하여 방사선 검출값이 고준위 방사선인 100KRad까지 우수한 선형성을 나타내며 실시간으로 감지되는 장점이 있고, 회로를 구성하는 소자가 방사선에 피폭되어도 강한 JFET과 가변저항만으로 간단히 이루어진 장점을 지닌 선량계로서, 고방사선 작업 환경과 핵연료 폐기물 처리 분야, 우주 방사능 환경, 원자력발전소 원자로를 포함한 1차측 주요장비 및 고방사선 환경 작업용 장비의 방사선 피폭으로 인한 손상에 따른 수명을 실시간으로 예측하기 위한 피폭 방사능 누적 모니터링 장치로 사용할 수 있다.As described above, the present invention does not develop and use a specially manufactured expensive sensor, but uses a commercial power pMOSFET, and economically and vertically forms a channel to flow a large current so that the radiation detection value is excellent linearity up to 100 KRad, which is a high level radiation. It is a dosimeter that has the advantage of being sensed in real time and has the advantage of simply consisting of a strong JFET and variable resistance even when the device constituting the circuit is exposed to radiation.It is a field of high-radiation work, nuclear fuel waste treatment, space radiation environment, nuclear power plant It can be used as a cumulative monitoring device for radiation exposure in order to predict in real time the lifespan of damage caused by radiation exposure of primary equipment and equipment for high-radiation environment work.

Claims

방사선을 감지하는 선량계를 구성함에 있어서,In constructing a dosimeter for detecting radiation,

방사선의 피폭량에 따라 선형적으로 문턱전압(Threshold Voltage)값이 증가하는 pMOSFET으로 된 누적센서(1)와;A cumulative sensor 1 made of a pMOSFET in which a threshold voltage value increases linearly with the radiation dose;

상기 누적센서(1)의 문턱전압을 측정하기 위하여, 게이트 사이에 생기는 작은 전위 차로 인해 발생되는 작은 전류를 Power pMOSFET(1)의 드레인 전극에 일정하게 공급하는 JFET-1(2) 및 JFET-2(3)와;In order to measure the threshold voltage of the cumulative sensor 1, the JFET-1 (2) and the JFET-2 which constantly supply the small current generated by the small potential difference generated between the gates to the drain electrode of the Power pMOSFET (1). (3);

상기 공급되는 전류를 pMOSFET의 종류에 맞게 조정하는 가변저항(4) 만으로 회로가 구성되는 것을 특징으로 하는 Power pMOSFET을 사용한 고준위 방사선용 γ선 실시간 소형 선량계.A real-time small dose dosimeter for high-level radiation using a power pMOSFET, characterized in that the circuit is composed of only a variable resistor (4) for adjusting the supplied current according to the type of pMOSFET.

제 1항에 있어서, 상기 pMOSFET은 방사선 검출범위가 1∼100KRad까지인 상용의 Power pMOSFET을 사용하는 것을 특징으로 하는 Power pMOSFET을 사용한 고준위 방사선용 γ선 실시간 소형 선량계.The γ-ray real-time compact dosimeter for high level radiation using a power pMOSFET according to claim 1, wherein the pMOSFET uses a commercially available Power pMOSFET having a radiation detection range of 1 to 100 KRad.