KR20110123324A - Radiation sensor and method of applying the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 방사선 센서 및 그 응용 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 비에스오(BSO) 섬광체 및 실리콘 광전 변환 소자로 이루어진 방사선 센서 및 그 응용 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a radiation sensor and an application method thereof, and more particularly, to a radiation sensor and a method of applying the BSO scintillator and silicon photoelectric conversion element.
본 발명은 산업자원부의 차세대신기술개발사업의 일환으로 수행된 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 200907190100, 과제명: PET용 섬광체 제작 기술 개발].The present invention is derived from the research carried out as part of the next generation new technology development project of the Ministry of Commerce, Industry and Energy [task management number: 200907190100, name of the project: the development of the scintillator manufacturing technology for PET].
섬광(Scintillation) 현상은 섬광체에 엑스선(X-ray) 등과 같은 방사선을 조사할 때, 방사선 조사와 동시에 빛이 발생하는 현상이다. 이때 발생한 빛을 포토다이오드(photodiode), 광증배관(Photo-MultiplierTube : PMT) 또는 광전 변환 소자(photoelectric transformation element) 등과 같은 적절한 광전 소자(photoelectric element)를 이용하여 측정함으로써, 방사선 정보가 획득될 수 있다. 이렇게 획득된 방사선 정보를 적절한 방식으로 처리함으로써, 방사선의 검출 및 방사선 영상이 획득될 수 있다.Scintillation is a phenomenon in which light is generated simultaneously with irradiation when the scintillator emits radiation such as X-rays. Radiation information may be obtained by measuring the generated light using a suitable photoelectric element such as a photodiode, a photo-multiplier tube (PMT), a photoelectric transformation element, or the like. . By processing the thus obtained radiation information in an appropriate manner, the detection of the radiation and the radiographic image can be obtained.
섬광체(Scintillator)는 입사한 자외선(UltraViolet ray : UV ray), 엑스선, 알파선(α-ray), 베타선(β-ray), 전자선(electron ray), 감마선(γ-ray) 및 중성자선(neutron ray) 등과 같은 이온화 방사선을 가시광선 파장 영역의 빛으로 변환해 주는 방사선 센서로서, 전산화 단층촬영(Computed Tomography : CT) 시스템, 양전자 방출 단층촬영(Positron Emission Tomography : PET) 시스템, 단일 광자 방출 단층촬영(Single Photon Emission Computed Tomography : SPECT) 시스템 또는 앵거 카메라(anger camera)라 불리는 감마 카메라(gamma camera) 등과 같은 의료 영상 시스템, 각종 방사선 검출기 및 공업용 방사선 센서 등과 같이 다양한 분야에 널리 이용되고 있다.Scintillator is composed of incident ultraviolet rays (UltraViolet ray (UV ray), X-ray, alpha ray (α-ray), beta ray (β-ray), electron ray, gamma ray (γ-ray) and neutron ray A radiation sensor that converts ionized radiation into light in the visible wavelength range, including Computed Tomography (CT) systems, Positron Emission Tomography (PET) systems, and single photon emission tomography ( Background Art It is widely used in various fields, such as medical imaging systems such as single photon emission computed tomography (SPECT) systems or gamma cameras called anger cameras, various radiation detectors, and industrial radiation sensors.
방사선 검출 효율이 높고, 그리고 형광 감쇠 시간(luminescence decay time)이 짧은 섬광체가 다양한 분야에 응용될 수 있다. 대부분의 분야에서 응용되기 위한 이상적인 섬광체는 밀도가 높고, 원자번호가 크고, 광 출력이 크고, 잔광(afterglow)이 없으며, 그리고 형광 감쇠 시간이 짧아야 한다. 또한, 섬광체는 발광 파장이 광전 소자의 스펙트럼과 일치해야 하는 동시에 기계적으로 견고하고, 내방사선(radiation hardness) 정도가 높고, 그리고 가격이 낮아야 한다. 그러나 섬광체들은 각각의 장단점이 있기 때문에, 하나의 섬광체가 모든 분야에 이상적으로 응용될 수는 없다.Scintillators with high radiation detection efficiency and short fluorescence decay time can be applied to various fields. Ideal scintillators for most applications require high density, high atomic number, high light output, no afterglow, and short fluorescence decay time. In addition, the scintillator must have a light emission wavelength consistent with the spectrum of the optoelectronic device while at the same time being mechanically robust, having a high degree of radiation hardness, and having a low price. However, because scintillators have their advantages and disadvantages, one scintillator may not be ideally suited for all applications.
1948년 호프스태터(Hofstadter)에 의해 NaI:Tl 섬광체가 등장한 이래, 섬광체는 방사선 의학, 핵물리학 또는 고에너지 물리학 등이 발전함에 따라, 현재까지 여러 가지 종류의 섬광체들이 개발되어 실용화되어 왔다. 주요한 섬광체들로는 NaI:Tl 섬광체를 시초로 하여 CsI, CsI:Tl 등과 같은 알칼리 할라이드(alkali halide) 섬광체들 외, BGO(Bi4Ge3O12), PbWO4, LSO(Lu2SiO5) 등과 같은 섬광체들이 있다. 밀도가 높은 BGO 섬광체는 전산화 단층촬영 시스템에 활용되고 있으며, 반면에 PbWO4 섬광체는 일반적으로 고에너지 물리학을 위해 개발되어 활용되고 있으며, 좋은 시간 분해능(τ = 40 ns)과 우수한 검출 효율을 갖는 LSO 섬광체는 양전자 방출 단층촬영 시스템에 활용되고 있다.Since the introduction of NaI: Tl scintillators by Hofstadter in 1948, scintillators have been developed and put into practical use as far as radiomedical, nuclear physics or high energy physics has developed. The main scintillators are based on NaI: Tl scintillators and alkali halide scintillators such as CsI, CsI: Tl, etc., BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ), PbWO 4 , LSO (Lu 2 SiO 5 ), etc. There are scintillators. Dense BGO scintillators are used in computed tomography systems, while PbWO 4 scintillators are generally developed and utilized for high energy physics, and LSOs with good time resolution (τ = 40 ns) and good detection efficiency Scintillators have been utilized in positron emission tomography systems.
특히, 양전자 방출 단층촬영 시스템에 사용되는 섬광체는 형광 감쇠 시간이 짧고, 밀도가 높으면, 그리고 광 출력이 커야 한다. In particular, scintillators used in positron emission tomography systems should have short fluorescence decay times, high densities, and high light output.
본 발명이 해결하려는 과제는 방사선에 대한 감도가 높고, 광 출력이 크며, 그리고 형광 감쇠 시간이 짧은 방사선 센서를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a radiation sensor having high sensitivity to radiation, high light output, and short fluorescence decay time.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 방사선에 대한 감도가 높고, 광 출력이 크며, 그리고 형광 감쇠 시간이 짧은 섬광체를 갖는 방사선 센서를 포함하는 양전자 방출 단층촬영 시스템을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a positron emission tomography system comprising a radiation sensor having a high sensitivity to radiation, high light output, and short fluorescence decay time.
본 발명이 해결하려는 과제는 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 방사선 센서를 제공한다. 이 방사선 센서는 입사되는 방사선을 광으로 전환하는 비에스오(BSO) 섬광체 및 비에스오 섬광체에 의해 전환된 광을 전기적 신호로 전환하는 실리콘 광전 변환 소자를 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a radiation sensor. The radiation sensor may include a BSO scintillator for converting incident radiation into light and a silicon photoelectric conversion element for converting light converted by the BSF scintillator into an electrical signal.
비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자는 광학적으로 결합되어질 수 있다. 비에스오 섬광체과 실리콘 광전 변환 소자는 광 그리스에 의해 광학적으로 직접 결합되어질 수 있다. 비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자는 광섬유에 의해 광학적으로 간접 결합되어질 수 있다.The BS flasher and the silicon photoelectric conversion element may be optically coupled. The BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion element can be optically coupled directly by optical grease. The BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion element may be optically indirectly coupled by an optical fiber.
비에스오 섬광체는 Bi2O3와 SiO2를 모체로 할 수 있다. 비에스오 섬광체는 초클라스키 방식 또는 브리지만 방식을 이용하여 육성된 단결정 형태를 가질 수 있다. 비에스오 섬광체는 Bi4Si3O12 또는 Bi12SiO20을 포함할 수 있다.The BOE scintillator can be based on Bi 2 O 3 and SiO 2 . The BOS scintillator may have a single crystal form grown using the Choklaski method or the Bridgeman method. The BC flasher may comprise Bi 4 Si 3 O 12 or Bi 12 SiO 20 .
비에스오 섬광체는 370 ~ 460 nm 범위의 발광 파장을 가질 수 있다.The BS flasher may have an emission wavelength in the range of 370 to 460 nm.
비에스오 섬광체는 100 ns 이하의 형광 감쇠 시간을 가질 수 있다.The BS flasher may have a fluorescence decay time of 100 ns or less.
비에스오 섬광체는 자연 방사선 핵종을 포함하는 않는 것일 수 있다.The BES scintillator may be one that does not contain natural radionuclides.
실리콘 광전 변환 소자는 가이거 방식 사태 포토다이오드, 실리콘 광증배관 및 다중 화소 광자 계수기 중에서 선택된 적어도 하나를 사용할 수 있다.The silicon photoelectric conversion device may use at least one selected from a Geiger landslide photodiode, a silicon photomultiplier tube, and a multi-pixel photon counter.
실리콘 광전 변환 소자는 전기적 신호의 증폭 정도를 조절하는 기능을 더 가질 수 있다. 증폭 정도를 조절하는 기능은 비에스오 섬광체에 의해 전환된 광이 실리콘 광전 변환 소자에서 포화되지 않도록 하는 것일 수 있다.The silicon photoelectric conversion device may further have a function of adjusting the amplification degree of the electrical signal. The function of controlling the degree of amplification may be such that the light converted by the BOS scintillator is not saturated in the silicon photoelectric conversion element.
실리콘 광전 변환 소자를 냉각시키기 위한 냉각부를 더 포함할 수 있다. 냉각부는 비에스오 섬광체를 추가로 냉각시킬 수 있다. 냉각부는 펠티에 소자일 수 있다. 냉각부는 냉매로 액체 질소 또는 액체 헬륨을 사용할 수 있다.The apparatus may further include a cooling unit for cooling the silicon photoelectric conversion element. The cooling unit may further cool the BS flasher. The cooling unit may be a Peltier element. The cooling unit may use liquid nitrogen or liquid helium as the refrigerant.
또한, 상기한 다른 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 양전자 방출 단층촬영 시스템을 제공한다. 이 양전자 방출 단층촬영 시스템은 입사되는 방사선을 광으로 전환하는 비에스오(BSO) 섬광체 및 비에스오 섬광체에 의해 전환된 광을 전기적 신호로 전환하는 실리콘 광전 변환 소자로 구성된 방사선 센서를 포함할 수 있다.Moreover, in order to achieve the said another subject, this invention provides the positron emission tomography system. The positron emission tomography system may include a radiation sensor comprised of a BSO scintillator that converts incident radiation into light and a silicon photoelectric conversion element that converts light converted by the BOS scintillator into an electrical signal.
방사선 센서는 의학 분야 또는 산업 분야에서 방사선 검출 장치로 사용될 수 있다.The radiation sensor may be used as a radiation detection device in the medical field or the industrial field.
의학 분야에서 앵거 카메라, 전산화 단층촬영 시스템, 양전자 방출 단층촬영 시스템 또는 단일광자 방출 단층촬영 시스템에 포함될 수 있다.It may be included in the medical field in Anger cameras, computerized tomography systems, positron emission tomography systems or single photon emission tomography systems.
산업 분야에서 엑스선, 감마선, 자외선, 전자선, 알파입자, 베타입자 및 중성자 중에서 선택된 적어도 하나의 방사선량을 측정할 수 있다.In the industrial field, at least one radiation dose selected from X-rays, gamma rays, ultraviolet rays, electron beams, alpha particles, beta particles, and neutrons may be measured.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제의 해결 수단에 따르면 광 출력은 작지만, 방사선에 대한 감도가 높고, 발광 파장이 실리콘 광전 변환 소자에 잘 일치(matching)하고, 형광 감쇠 시간이 짧고, 녹는점이 낮아서 단결정 유석이 쉽고, 그리고 자연 방사선 핵종이 포함되지 않은 비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자가 광학적으로 결합된 방사선 센서가 제공될 수 있다. 이에 따라, 방사선 영상을 획득하기 위한 앵거 카메라, 전산화 단층촬영 시스템, 양전자 방출 단층촬영 시스템 또는 단일광자 방출 단층촬영 시스템 등과 같은 의학 영상 시스템에 비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자가 광학적으로 결합된 방사선 센서가 응용될 수 있다. 특히, 비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자가 광학적으로 결합된 방사선 센서는 비에스오 섬광체의 밀도가 높고, 그리고 형광 감쇠 시간 특성이 매우 빠르기 때문에, 양전자 방출 단층촬영 시스템에 적합한 편이다.As described above, according to the solution of the problem of the present invention, although the light output is small, the sensitivity to radiation is high, the emission wavelength is well matched to the silicon photoelectric conversion element, the fluorescence decay time is short, and the melting point is low. There may be provided a radiation sensor in which a single crystal is easy and optically coupled to a BOS scintillator and a silicon photoelectric conversion element that does not contain a natural radiation nuclide. Accordingly, a radiation sensor optically coupled to a BOS scintillator and a silicon photoelectric conversion element in a medical imaging system such as an angle camera, a computed tomography system, a positron emission tomography system, or a single photon emission tomography system for acquiring a radiographic image. Can be applied. In particular, a radiation sensor optically coupled to a BOS scintillator and a silicon photoelectric conversion element is suitable for a positron emission tomography system because of the high density of the BSS scintillator and its fast fluorescence decay time characteristic.
아울러, 자외선, 엑스선, 전자선, 알파입자(α-particle), 베타입자(β-particle), 감마선 및 중성자 등과 같은 다양한 방사선에 대한 방사선량 측정에 비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자가 광학적으로 결합된 방사선 센서가 응용될 수도 있다.In addition, the BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion element are optically coupled to the radiation dose measurement for various radiations such as ultraviolet rays, X-rays, electron beams, alpha particles, beta particles, gamma rays and neutrons. Radiation sensors may be applied.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서를 설명하기 위한 블록 구성도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서에 포함된 비에스오 섬광체의 발광 스펙트럼 그래프;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서의 형광 감쇠 시간 특성 그래프;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서의 137Cs 662 keV 감마선에 대한 에너지 분해능 그래프.1 is a block diagram illustrating a radiation sensor according to an embodiment of the present invention;
2 is a light emission spectrum graph of a BOS scintillator included in a radiation sensor according to an exemplary embodiment of the present invention;
3 is a graph of fluorescence decay time characteristics of a radiation sensor according to an embodiment of the present invention;
4 is a graph of energy resolution of 137 Cs 662 keV gamma rays of a radiation sensor according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Advantages and features of the present invention, and methods of achieving the same will become apparent with reference to the embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in different forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art, and the invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. It is to be understood that the terms 'comprises' and / or 'comprising' as used herein mean that an element, step, operation, and / or apparatus is referred to as being present in the presence of one or more other elements, Or additions. In addition, since they are in accordance with the preferred embodiment, the reference numerals presented in the order of description are not necessarily limited to the order.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 구성 요소들의 크기 및/또는 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 구성 요소들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 구성 요소들의 모양은 장치의 구성 요소의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.In addition, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and / or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the size and / or thickness of the components are exaggerated for the effective description of the technical content. Accordingly, shapes of the exemplary views may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include variations in forms generated by the manufacturing process. Accordingly, the components illustrated in the figures have schematic attributes, and the appearance of the components illustrated in the figures is intended to illustrate a particular form of component of the apparatus and is not intended to limit the scope of the invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서를 설명하기 위한 블록 구성도이다.1 is a block diagram illustrating a radiation sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 방사선 센서(100)는 비에스오(BSO) 섬광체(110) 및 실리콘 광전 변환 소자(120)를 포함한다. 비에스오 섬광체(110)와 실리콘 광전 변환 소자(120)는 광학적 결합부(115)를 통해 광학적으로 결합될 수 있다. 광학적 결합부(115)는 광 그리스(optical grease) 또는 광섬유를 포함할 수 있다. 비에스오 섬광체(110)와 실리콘 광전 변환 소자(120)는 광 그리스에 의해 광학적으로 직접 결합될 수 있다. 비에스오 섬광체(110)와 실리콘 광전 변환 소자(120)는 광섬유에 의해 광학적으로 간접 결합될 수 있다.Referring to FIG. 1, the
비에스오 섬광체(110)는 입사되는 방사선(200)을 광으로 전환할 수 있다. 비에스오 섬광체(110)는 Bi2O3와 SiO2를 모체로 하여 초크랄스키(Czochralski) 방식 또는 브리지만(bridgman) 방식을 이용하여 육성된 단결정 형태를 가질 수 있다. 비에스오 섬광체(110)는 Bi4Si3O12 또는 Bi12SiO20을 포함할 수 있다. 비에스오 섬광체(110)는 370 ~ 460 nm 범위의 발광 파장을 가질 수 있다. 비에스오 섬광체(110)는 100 ns 이하의 형광 감쇠 시간을 가질 수 있다. 비에스오 섬광체(110)는 자연 방사선 핵종을 포함하지 않을 수 있다.The
실리콘 광전 변환 소자(120)는 비에스오 섬광체(110)에 의해 전환된 광을 전기적 신호로 전환할 수 있다. 실리콘 광전 변환 소자(120)는 가이거 방식 사태 포토다이오드(Geiger mode Avalanche PhotoDiode : GAPD), 실리콘 광증배관(Silicon PhotoMultiplier tube : SiPM) 및 다중 화소 광자 계수기(Multi-Pixel Photon Counter : MPPC) 중에서 선택된 적어도 하나를 사용할 수 있다.The silicon
실리콘 광전 변환 소자(120)는 전기적 신호의 증폭 정도를 조절하는 기능을 더 가질 수 있다. 증폭 정도를 조절하는 기능은 비에스오 섬광체(110)에 의해 전환된 광이 실리콘 광전 변환 소자(120)에서 포화되지 않도록 하는 것일 수 있다. 비에스오 섬광체(110)은 실리콘 광전 변환 소자(120)의 광전 효율 특성에 잘 일치(matching)할 수 있다. 이에 따라, 방사선 센서(100)의 특성이 향상될 수 있다.The silicon
비에스오 섬광체(110)는 밀도가 6.8 g/cm3로 비교적 크고, 유효 원자번호(Zeff)가 76.2로서 매우 높으며, 그리고 형광 감쇠 시간이 짧아서 양전자 방출 단층촬영 시스템에 현재 많이 사용되고 있는 BGO 섬광체에 비해 빠른 형광 감쇠 시간 특성을 가질 뿐만 아니라, 모체를 구성하는 주성분인 GeO2보다 SiO2의 가격이 저렴하므로 육성된 섬광 단결정의 가격 또한 저렴하다. 한편, LSO 섬광체의 주성분인 희토류 원소인 루테튬(Lu)에 비해서도 가격이 저렴하면서, 자연 방사선 핵종에 의한 백그라운드가 없고, 유효 원자번호가 높으며, 그리고 녹는 점이 낮아서 결정 성장이 유리하다. 하지만, 비에스오 섬광체(110)의 단점으로 광 출력이 BGO의 약 20%에 불과하여 방사선 측정기로서의 가능성이 매우 낮은 섬광체이다. 그러나 실리콘 광전 변환 소자(120)가 개발되어 상용화됨에 따라, 적은 광 출력의 섬광체를 사용함에도 불구하고 광전 변환 효율이 높아짐으로써, 적은 광 출력을 갖는 비에스오 섬광체(110)을 활용하는 방사선 센서(100)가 제공될 수 있다.The
방사선 센서(100)는 실리콘 광전 변환 소자(120)를 냉각시키기 위한 냉각부(130)를 더 포함할 수 있다. 냉각부(130)는 비에스오 섬광체(110)를 추가로 냉각시킬 수 있다. 냉각부(130)는 펠티에(Peltier) 소자일 수 있다. 냉각부(130)는 냉매로 액체 질소 또는 액체 헬륨을 사용할 수 있다. 이에 따라, 방사선 센서(100)의 잡음이 줄어들 수 있다.The
상기한 본 발명의 실시예에 따른 비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자가 광학적으로 결합된 방사선 센서는 의학 분야 또는 산업 분야에서 방사선 검출 장치로 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자가 광학적으로 결합된 방사선 센서는 의학 분야에서 앵거 카메라, 전산화 단층촬영 시스템, 양전자 방출 단층촬영 시스템 또는 단일광자 방출 단층촬영 시스템에 포함될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자가 광학적으로 결합된 방사선 센서는 비에스오 섬광체의 밀도가 높기 때문에, 양전자 방출 단층촬영 시스템에 적합할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자가 광학적으로 결합된 방사선 센서는 산업 분야에서 엑스선, 감마선, 자외선, 전자선, 알파입자, 베타입자 및 중성자 중에서 선택된 적어도 하나의 방사선량을 측정할 수 있다.The radiation sensor optically coupled to the BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention may be used as a radiation detection apparatus in a medical field or an industrial field. The radiation sensor optically coupled to the BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion device according to the embodiment of the present invention may be included in an Anger camera, a computed tomography system, a positron emission tomography system, or a single photon emission tomography system in the medical field. . In particular, the radiation sensor optically coupled to the BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention may be suitable for a positron emission tomography system because of the high density of the BSS scintillator. The radiation sensor optically coupled to the BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention measures at least one radiation dose selected from X-rays, gamma rays, ultraviolet rays, electron beams, alpha particles, beta particles, and neutrons in an industrial field. can do.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서에 포함된 비에스오 섬광체의 발광 스펙트럼 그래프이고, 그리고 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서의 형광 감쇠 시간 특성 그래프이다.FIG. 2 is a light emission spectrum graph of a BOS scintillator included in a radiation sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a graph of fluorescence decay time characteristic of a radiation sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
실온에서의 발광 스펙트럼은 X-선의 여기에 대한 발광 스펙트럼을 QM6000(Ocean Optics Inc.)을 사용하여 측정한 것이다. 실온에서의 형광 감쇠 시간은 실리콘 광전 변화 소자(도 1의 120 참조)인 다중 화소 광자 계수기의 출력 신호를 파고 분석장치(pulse height analysis system)로 측정한 것이다.The emission spectrum at room temperature is the emission spectrum for excitation of X-rays measured using QM6000 (Ocean Optics Inc.). Fluorescence attenuation time at room temperature is measured by a pulse height analysis system of the output signal of a multi-pixel photon counter which is a silicon photoelectric change device (see 120 in FIG. 1).
도 2를 참조하면, 방사선 센서에 포함된 비에스오 섬광체의 광 출력 특성을 알아보기 위해 분광기를 사용하여 350 ~ 800 nm 범위에서 측정한 발광 스펙트럼이 도시되어 있다. 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서의 비에스오 섬광체는 360 ~ 700 nm 범위의 발광 파장 및 420 nm의 최대 피크(peak) 파장을 가질 수 있다. 이러한 발광 파장 영역은 방사선 센서에 포함되어 실리콘 광전 변환 소자로 사용되는 의 광전 변환 효율 특성과 잘 일치(matching)한다. 또한, 방사선 센서에 포함된 비에스오 섬광체의 광 출력은 2,000 phs/MeV 정도임을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, the emission spectrum measured in the range of 350 to 800 nm using a spectrometer is illustrated to determine the light output characteristics of the BOS scintillator included in the radiation sensor. As shown, the BS flasher of the radiation sensor according to the embodiment of the present invention may have an emission wavelength in the range of 360 to 700 nm and a maximum peak wavelength of 420 nm. This emission wavelength region is well matched with the photoelectric conversion efficiency characteristic of which is included in the radiation sensor and used as a silicon photoelectric conversion element. In addition, it can be seen that the light output of the BSF scintillator included in the radiation sensor is about 2,000 phs / MeV.
도 3을 참조하면, 방사선 센서의 형광 감쇠 시간 특성을 알아보기 위해 상온에서 방사선 센서에 137Cs 662 keV 감마선을 조사하여 측정한 형광 감쇠 시간들이 도시되어 있다. 그래프에서 파동치는 변동선은 실제 측정값들이고, 변동성 내의 직선은 실제 측정값들의 추세선이다. 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서는 세 개의 시간 성분을 가지는 것을 알 수 있다. 세 개의 시간 성분은 각각 4.5 ns인 빠른 시간 성분(점선)과 42.5 ns인 중간 시간 성분(일점 쇄선)과 95 ns인 느린 시간 성분(이점 쇄선)이다. 빠른 시간 성분인 4.5 ns는 전체 형광의 5%를 차지하며, 중간 시간 성분인 42.5 ns는 전체 형광의 16%를 차지하며, 느린 시간 성분인 95 ns는 전체 형광의 79%를 차지한다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서는 95 ns 이하의 빠른 시간 특성을 갖는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, fluorescence decay times measured by irradiating 137 Cs 662 keV gamma rays to the radiation sensor at room temperature are illustrated to determine fluorescence decay time characteristics of the radiation sensor. The fluctuation lines in the graph are actual measurements, and the straight line in the variability is the trendline of the actual measurements. As shown, it can be seen that the radiation sensor according to the embodiment of the present invention has three time components. The three time components are a fast time component (dotted line) of 4.5 ns each, an intermediate time component (dotted dashed line) of 42.5 ns, and a slow time component (double dashed line) of 95 ns. The fast time component, 4.5 ns, accounts for 5% of the total fluorescence, the medium time component, 42.5 ns, accounts for 16% of the total fluorescence, and the slow time component, 95 ns, accounts for 79% of the total fluorescence. Accordingly, it can be seen that the radiation sensor according to the embodiment of the present invention has a fast time characteristic of 95 ns or less.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서의 137Cs 662 keV 감마선에 대한 에너지 분해능 그래프이다.4 is a graph of energy resolution of 137 Cs 662 keV gamma rays of the radiation sensor according to the embodiment of the present invention.
실온에서의 에너지 분해능은 실리콘 광전 변화 소자(도 1의 120 참조)인 다중 화소 광자 계수기의 출력 신호를 파고 분석장치로 측정한 것이다. The energy resolution at room temperature is measured by digging an output signal of a multi-pixel photon counter which is a silicon photoelectric change device (see 120 in FIG. 1).
도 4를 참조하면, 방사선 센서의 에너지 분해능을 측정하기 위해 방사선 센서에 137Cs 662 keV 감마선을 조사하여 측정한 파고 스펙트럼의 광전 피크(꺾은 선), 측정된 광전 피크의 잡음을 피팅(fitting)한 바탕값(background) 선(2) 및 잡음을 제거한 후 통계적으로 계산된 에너지 분해능(3)이 도시되어 있다. 그래프에서 1번 실선(1)은 실제 측정된 광전 피크의 피팅 선이고, 2번 실선(2)은 실제 측정된 광전 피크의 잡음을 피팅한 바탕값 선이고, 그리고 3번 실선(3)은 실제 측정된 광전 피크의 피팅 선인 1번 실선(1)의 값들에서 이에 대응되는 실제 측정된 광전 피크의 잡음을 피팅한 바탕값 선인 2번 실선(2)의 값들을 뺀 값들을 가우시안(Gaussian) 피팅한 선이다. 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서는 137Cs 662 keV 감마선에 대해 15.8% 정도의 에너지 분해능을 가지는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, a photoelectric peak (broken line) of a wave height spectrum measured by irradiating 137 Cs 662 keV gamma rays to a radiation sensor to measure the energy resolution of the radiation sensor is fitted. A
상기한 본 발명의 실시예에 따른 비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자가 광학적으로 결합된 방사선 센서는 방사선에 대한 감도가 높고, 에너지 분해능이 15.8% 정도이고, 그리고 형광 감쇠 시간이 95 ns(79%) 이하로 매우 빠른 시간 특성을 보이기 때문에, 방사선 영상을 획득하기 위한 감마 카메라, 전산화 단층촬영 시스템, 양전자 방출 단층촬영 시스템 또는 단일 광자 방출 단층촬영 시스템에 포함되어 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 비에스오 섬광체와 실리콘 광전 변환 소자가 광학적으로 결합된 방사선 센서는 비에스오 섬광체의 밀도가 높고, 그리고 시간 특성이 매우 빠르기 때문에, 양전자 방출 단층촬영 시스템용 방사선 센서로 적합하다. 아울러, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 센서는 자외선, 엑스선, 전자선, 알파입자, 베타입자, 감마선 및 중성자 등과 같은 다양한 방사선에 대한 방사선량 측정을 위한 방사선 센서에 포함되어 사용될 수도 있다.The radiation sensor optically coupled with the BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention has high sensitivity to radiation, energy resolution of about 15.8%, and fluorescence decay time of 95 ns (79%). Because of its very fast temporal characteristics, it can be included and used in gamma cameras, computerized tomography systems, positron emission tomography systems, or single photon emission tomography systems for obtaining radiographic images. In particular, the radiation sensor optically coupled to the BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention is a radiation sensor for a positron emission tomography system because the BSS scintillator has a high density and a very fast time characteristic. Suitable. In addition, the radiation sensor according to an embodiment of the present invention may be included in the radiation sensor for measuring the radiation dose for a variety of radiation, such as ultraviolet rays, X-rays, electron beams, alpha particles, beta particles, gamma rays and neutrons.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and non-restrictive in every respect.
100 : 방사선 센서
110 : 비에스오(BSO) 섬광체
115 : 광학적 결합부 120 : 실리콘 광전 변환 소자
130 : 냉각부 200 : 방사선100: radiation sensor
110: BSO scintillation body
115: optical coupling portion 120: silicon photoelectric conversion element
130: cooling unit 200: radiation
Claims (18)
상기 비에스오 섬광체에 의해 전환된 광을 전기적 신호로 전환하는 실리콘 광전 변환 소자를 포함하는 방사선 센서.BSO scintillators for converting incident radiation into light; And
And a silicon photoelectric conversion element for converting light converted by the BOS scintillator into an electrical signal.
상기 비에스오 섬광체와 상기 실리콘 광전 변환 소자는 광학적으로 결합되어지는 것을 특징으로 방사선 센서.The method of claim 1,
And the BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion element are optically coupled.
상기 비에스오 섬광체와 상기 실리콘 광전 변환 소자는 광 그리스에 의해 광학적으로 직접 결합되어지는 것을 특징으로 방사선 센서.The method of claim 2,
And the BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion element are optically coupled directly by optical grease.
상기 비에스오 섬광체와 상기 실리콘 광전 변환 소자는 광섬유에 의해 광학적으로 간접 결합되어지는 것을 특징으로 방사선 센서.The method of claim 2,
And the BOS scintillator and the silicon photoelectric conversion element are optically indirectly coupled by an optical fiber.
상기 비에스오 섬광체는 Bi2O3와 SiO2를 모체로 하는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.The method of claim 1,
The BSS scintillator is a radiation sensor, characterized in that Bi 2 O 3 and SiO 2 as a matrix.
상기 비에스오 섬광체는 초클라스키 방식 또는 브리지만 방식을 이용하여 육성된 단결정 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.6. The method of claim 5,
The BSS scintillator has a single crystal form that is grown using a Choklaski method or a Bridgeman method.
상기 비에스오 섬광체는 Bi4Si3O12 또는 Bi12SiO20을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.6. The method of claim 5,
The BSS scintillator comprises a Bi 4 Si 3 O 12 or Bi 12 SiO 20 characterized in that the radiation sensor.
상기 비에스오 섬광체는 370 ~ 460 nm 범위의 발광 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.The method of claim 1,
The BSS scintillator has a light emission wavelength in the range of 370 ~ 460 nm.
상기 비에스오 섬광체는 100 ns 이하의 형광 감쇠 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.The method of claim 1,
And the BSS scintillator has a fluorescence decay time of 100 ns or less.
상기 비에스오 섬광체는 자연 방사선 핵종을 포함하는 않는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.The method of claim 1,
And said BSE scintillator does not comprise natural radiation nuclides.
상기 실리콘 광전 변환 소자는 가이거 방식 사태 포토다이오드, 실리콘 광증배관 및 다중 화소 광자 계수기 중에서 선택된 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.The method of claim 1,
And the silicon photoelectric conversion element uses at least one selected from a Geiger landslide photodiode, a silicon photomultiplier tube, and a multi-pixel photon counter.
상기 실리콘 광전 변환 소자는 상기 전기적 신호의 증폭 정도를 조절하는 기능을 더 갖는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.The method of claim 1,
And the silicon photoelectric conversion element further has a function of adjusting amplification degree of the electrical signal.
상기 증폭 정도를 조절하는 기능은 상기 비에스오 섬광체에 의해 전환된 상기 광이 상기 실리콘 광전 변환 소자에서 포화되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.The method of claim 12,
And the function of adjusting the amplification degree prevents the light converted by the BOS scintillator from being saturated in the silicon photoelectric conversion element.
상기 실리콘 광전 변환 소자를 냉각시키기 위한 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.The method of claim 1,
And a cooling unit for cooling the silicon photoelectric conversion element.
상기 냉각부는 상기 비에스오 섬광체를 추가로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.The method of claim 14,
And the cooling unit further cools the BS flasher.
상기 냉각부는 펠티에 소자인 것을 특징으로 하는 방사선 센서.The method of claim 14,
The cooling unit is a radiation sensor, characterized in that the Peltier element.
상기 냉각부는 냉매로 액체 질소 또는 액체 헬륨을 사용하는 것을 특징으로 하는 방사선 센서.The method of claim 14,
Wherein the cooling unit uses liquid nitrogen or liquid helium as the refrigerant.
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| WO2019098629A1 (en) * | 2017-11-17 | 2019-05-23 | 고려대학교 산학협력단 | Radiation detector for detecting radiation and identifying type thereof |
| KR20200009344A (en) * | 2018-07-18 | 2020-01-30 | 연세대학교 원주산학협력단 | A radionuclide detector based on multi-array plastic scintillator and the radiation detect method using it |
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2010
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |