고에너지 X-선 영상검출을 위한 CdWO₄ 섬광체 두께와 반사체의 반사율 변화에 따른 광 수집량의 변화

임창휘,박종원,이정희,Lim, Chang Hwy,Park, Jong-Won,Lee, Junghee 한국정보통신학회 2020 한국정보통신학회논문지 Vol.24 No.12

컨테이너 검색을 위해 사용되는 고에너지 X-선 영상획득용 검출기는 입사되는 고에너지 X-선을 효과적으로 획득하기 위하여 MeV X-선 수집이 충분히 수행될 수 있는 두께의 섬광체를 사용한다. 컨테이너 검색기에서는 섬광체에 입사되는 X-선의 에너지는 일반적으로 최대 9MeV의 X-선이 사용된다. 그러므로 고에너지 X-선 광자를 효과적으로 수집하기 위해서는 수 cm 두께의 섬광체가 이용되어야 하며 섬광체의 두께는 신호의 수집효율에 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 컨테이너 검색에 사용되는 CdWO4 섬광체와 소면적의 센서를 활용한 영상검출기의 설계조건에 대한 연구를 기술하고 있다. 이를 위하여 본연구에서는 섬광체의 적절한 두께와 섬광체 표면의 반사율에 따른 빛 수집효율을 계산하기 위하여 MCNP6와 DETECT2000을 활용하여 다양한 조건에서 X-선 거동과 빛의 거동에 대한 모사를 수행하였다. 빛 수집효율 계산결과 섬광체 표면의 반사율이 낮은 경우 대략 15 ~ 20mm 두께의 섬광체를 선정하는 것이 적합하였으나 반사율이 높아짐에 따라 대략 25 ~ 30mm 두께의 CdWO4 섬광체를 선정하는 것이 적합한 것으로 확인되었다. The high-energy X-ray imaging detector used for container inspection uses a thick scintillator to effectively acquire X-rays. X-ray incident on the scintillator is generally up to 9MeV. Therefore, to effectively collect X-ray, it is necessary to use a thick scintillator. To collect the light generated by the reaction between X-ray and scintillator, an optical-sensor must be combined with the scintillator. In this study, a study on the design conditions of the detector using a CdWO4 and a small sensor is described. To calculate the collected light according to the change of the scintillator thickness and the reflectance of surface, MCNP6 and DETECT2000 were used. As a result of calculating, it was confirmed that when the reflectance of the surface was low, it was appropriate to select a scintillator with a thickness of 15 to 20-mm, but as the reflectance increased, it was confirmed that it was appropriate to select a CdWO4 with a thickness of 25 to 30-mm.

이온전리함 기반의 컨테이너 검색용 고에너지 X-선 선량 측정장치 개발

이정희,임창휘,박종원,이상헌,Lee, Junghee,Lim, Chang Hwy,Park, Jong-Won,Lee, Sang Heon 한국정보통신학회 2020 한국정보통신학회논문지 Vol.24 No.12

X-ray of up to 9MeV are used for container inspection. X-ray intensity must be maintained stably regardless of changes in time. If dose is not constant, it may affect the image quality, and as a result, may affect the inspection of abnormal cargo. Therefore, to acquire high-quality images, continuous dose monitoring is required. In this study, the ion-chamber based device was developed for monitoring the dose change in high-energy x-ray. And to estimate the performance of signal-processing device change according to the environmental change, the output changing due to the change of temperature and humidity was observed. In addition, verification of the device was performed by measuring the output change. As a result of the measurement, there was no significant difference in performance due to changes in temperature and humidity, and the change in output according to the change in exposure was linear. Therefore, it was found that the developed device is suitable for the dose monitoring of high-energy x-ray. 일반적으로 컨테이너 내부검사를 위해서는 최대 9MeV의 X-선을 사용한다. 이때 사용되는 X-선은 선형가속기를 통해 생성되며 일정한 세기의 X-선량이 시간의 변화에 관계없이 안정적으로 유지되어야 한다. 만약 발생되는 X-선의 세기가 일정하지 않다면 영상의 해상도와 대비도 등에 영향을 미칠 수 있으며 결과적으로 컨테이너 내부의 이상화물에 대한 검사에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 고화질의 영상을 획득하기 위해서는 발생되는 X-선 선량에 대한 지속적인 모니터링이 요구된다. 이와같은 선량 모니터링을 위하여, 본 연구에서는 고에너지 X-선 선량의 변화 측정을 위한 이온전리함 기반의 선량변화 측정장치를 개발하였고 환경변화에 따른 신호처리부의 성능변화를 확인하기 위하여 온도와 습도 변화에 의한 측정값의 변화를 관찰하였다. 또한, 고에너지 X-선 발생장치에서 발생되는 선량의 변화에 따른 응답특성변화를 측정함으로써 개발한 X-선 선량측정장치의 검증을 수행하였다. 측정결과 온도와 습도의 변화에 따른 성능의 차이가 크게 나타나지 않았으며 입사되는 선량의 변화에 따른 출력의 변화가 선형적이었다. 그러므로 개발한 이온전리함 기반의 선량변화측정장치는 고에너지 X-선의 선량변화의 측정에 적용하기에 적합함을 알 수 있었다.

스퍼터링 코팅기법을 이용한 중성자 검출용 B₄C 박막 개발

임창휘,김종열,이수현,조상진,최영현,박종원,문명국,Lim, Chang Hwy,Kim, Jongyul,Lee, Suhyun,Cho, Sang-Jin,Choi, Young-Hyun,Park, Jong-Won,Moon, Myung Kook 대한방사선방어학회 2015 방사선방어학회지 Vol.40 No.2

헬륨-3는 높은 반응효율, 장시간 사용가능성, 감마선에 대한 낮은 반응확률 등과 같은 장점들을 가지고 있기 때문에 대부분의 중성자 검출기의 반응물질로 사용되어 왔다. 그러나 지난 몇 년 사이 전세계적인 헬륨-3의 부족으로 인해 기체의 수급이 어려워지고 있고 이에 따라 가격이 급격히 증가하게 되었다. 이러한 이유로 헬륨-3 대체 물질들을 이용한 고효율의 중성자 검출기의 개발에 대한 연구가 많은 연구그룹에 의해 활발히 진행되기 시작하였다. 이러한 연구에서는 다양한 물질들을 이용하고 있으며, 이 중에서 붕소-10은 다른 대체물질과 비교할 때 상대적으로 높은 중성자 반응확률, 낮은 감마반응효율, 물질의 안정성, 가격적 이점 그리고 기존 헬륨-3를 이용한 검출기의 계측회로의 재활용 가능성 등과 같은 장점들 때문에 많은 연구그룹에서 붕소-10을 이용한 중성자 검출기 개발을 진행하고 있다. 본 논문에서는 중성자 검출기에 사용될 수 있는 붕소-10 박막을 개발하고 이에 대한 성능평가를 수행하였다. 중성자 검출기의 반응물질로 붕소-10을 사용하기 위해서는 중성자와 붕소-10이 반응하여 생성되는 이차방사선을 측정할 수 있어야 한다. 본 연구에서 활용한 기체충진형 중성자 검출기의 경우 붕소-10을 얇은 박막 형태로 제작하여 중성자와 반응하여 생성된 이차방사선이 기체를 이온화 시켜서 생성되는 이온쌍을 측정하는 방법을 이용한다. 그러므로 중성자 반응효율과 이차방사선의 재흡수율을 고려한 붕소-10(탄화붕소)의 적절한 두께를 선정할 필요가 있다. 이를 위해서 본 논문에서는 몬테칼로 기법을 이용하는 MCNP6를 이용하여 다양한 두께에 따른 중성자신호수집효율의 변화를 계산하였다. 또한, 스퍼터링 기법을 이용하여 다양한 두께의 박막을 제작하고 이를 이용하여 중성자 반응신호를 측정하였다. 그리고 제작된 박막의 2차원 모니터링을 위한 다중선 비례계수기의 적용가능성을 타진하기 위해 제작된 붕소박막이 설치된 2차원 다중선 비례계수기를 제작하고 중성자 응답 특성을 평가하였다. $^3He$ gas has been used for neutron monitors as the neutron converter owing to its advantages such as high sensitivity, good ${\gamma}$-discrimination capability, and long-term stability. However, $^3He$ is becoming more difficult to obtain in last few years due to a global shortage of $^3He$ gas. Accordingly, the cost of a neutron monitor using $^3He$ gas as a neutron converter is becoming more expensive. Demand on a neutron monitor using an alternative neutron conversion material is widely increased. $^{10}B$ has many advantages among various $^3He$ alternative materials, as a neutron converter. In order to develop a neutron converter using $^{10}B$ (actually $B_4C$), we calculated the optimal thickness of a neutron converter with a Monte Carlo simulation using MCNP6. In addition, a neutron converter was fabricated by the Ar sputtering method and the neutron signal detection efficiencies were measured with respect to various thicknesses of fabricated a neutron converter. Also, we developed a 2-dimensional multi-wire proportional chamber (MWPC) for neutron beam profile monitoring using the fabricated a neutron converter, and performed experiments for neutron response of the neutron monitor at the 30 MW research reactor HANARO at the Korea Atomic Energy Research Institute. The 2-dimensional MWPC with boron ($B_4C$) neutron converter was proved to be useful for neutron beam monitoring, and can be applied to other types of neutron imaging.

중성자 모니터링을 위한 전도성 ¹⁰B 박막 개발

임창휘,김종열,이수현,정용주,최영현,백철하,문명국,Lim, Chang Hwy,Kim, Jongyul,Lee, Suhyun,Jung, Yongju,Choi, Young-Hyun,Baek, Cheol-Ha,Moon, Myung-Kook 대한방사선방어학회 2014 방사선방어학회지 Vol.39 No.4

중성자 검출분야에서$^3He$는 높은 중성자 검출효율 때문에 아주 많이 사용되고 있다. 하지만 2009년 초반부터 발생하고 있는 전세계적인 $^3He$의 품귀현상으로 인하여 가격이 급등하고 수급이 어려워졌기 때문에 대체 중성자 검출물질에 대한 필요성이 높아졌다. 그러므로 중성자 검출물질로 사용될 수는 있지만 $^3He$에 비해 반응효율이 낮아 중성자 검출용으로 주로 사용되지 않던 물질들을 사용하여 검출기를 제작하는 연구가 다시 활발하게 진행되고 있다. $BF_3$, $^6Li$, $^{10}B$, $Gd_2O_2S$ 등과 같은 $^3He$ 대체 물질들 중 하나인 $^{10}B$은 손쉬운 감마선 구별, 무독성, 낮은 가격 등과 같은 여러 장점으로 인하여 여러 연구그룹에서 연구되고 있다. $^{10}B$ 박막을 이용한 중성자 검출은 중성자와 반응하여 발생되는 2차 방사선을 측정하여 간접적으로 중성자를 측정하는 검출기법이다. 반응을 통해 생성된 알파입자의 비정은 고체 내에서 아주 짧기 때문에 $^{10}B$ 층은 박막 형태로 얇게 제작해야 한다. 그러므로 중성자와 박막의 반응을 통해 발생되는 알파입자의 검출효율을 증가시키기 위해서는 $^{10}B$ 박막의 두께를 얇게 제작하는 것이 중요하다. 하지만 박막의 두께를 얇게 제작하는 것은 중성자와 반응하여 생성되는 알파입자의 수집효율을 증가시키는 장점이 있지만 또한 중성자와 반응할 단면적을 감소시키는 단점이 있다. 본 논문에서는 리튬이온전지에 사용되는 초박막 극판 제조 기술을 이용하여 중성자 검출을 위한 대략 $60{\mu}m$ 두께의 얇은 $^{10}B$ 박막을 제작하였다. 그리고 전도성, 분포, 점착력, 유연성와 같은 간단한 물리적 실험을 통해 제작된 $^{10}B$ 박막의 물성을 확인하였다. 또한, 제작된 $^{10}B$ 박막을 사용하여 중성자 모니터링을 위한 비례계수기 제작하고 이를 이용하여 한국원자력연구원의 중성자 조사시설의 중성자 파고 스펙트럼을 측정하였다. 또한, 중성자 검출효율을 증가시킬 수 있는 방법 중 하나인 다층 박막을 이용한 중성자 측정 방법을 이용하여 박막 층수에 따른 중성자 검출효율의 변화를 몬테칼로 전산모사 기법을 이용하여 계산하였고 실험을 통해 박막층의 증가에 따른 신호변화를 측정하였다. In the field of neutron detections, $^3He$ gas, the so-called "the gold standard," is the most widely used material for neutron detections because of its high efficiency in neutron capturing. However, from variable causes since early 2009, $^3He$ is being depleted, which has maintained an upward pressure on its cost. For this reason, the demands for $^3He$ replacements are rising sharply. Research into neutron converting materials, which has not been used well due to a neutron detection efficiency lower than the efficiency of $^3He$, although it can be chosen for use in a neutron detector, has been highlighted again. $^{10}B$, which is one of the $^3He$ replacements, such as $BF_3$, $^6Li$, $^{10}B$, $Gd_2O_2S$, is being researched by various detector development groups owing to a number of advantages such as easy gamma-ray discrimination, non-toxicity, low cost, etc. One of the possible techniques for the detection is an indirect neutron detection method measuring secondary radiation generated by interactions between neutrons and $^{10}B$. Because of the mean free path of alpha particle from interactions that are very short in a solid material, the thickness of $^{10}B$ should be thin. Therefore, to increase the neutron detection efficiency, it is important to make a $^{10}B$ thin film. In this study, we fabricated a $^{10}B$ thin film that is about 60 um in thickness for neutron detection using well-known technology for the manufacturing of a thin electrode for use in lithium ion batteries. In addition, by performing simple physical tests on the conductivity, dispersion, adhesion, and flexibility, we confirmed that the physical characteristics of the fabricated $^{10}B$ thin film are good. Using the fabricated $^{10}B$ thin film, we made a proportional counter for neutron monitoring and measured the neutron pulse height spectrum at a neutron facility at KAERI. Furthermore, we calculated using the Monte Carlo simulation the change of neutron detection efficiency according to the number of thin film layers. In conclusion, we suggest a fabrication method of a $^{10}B$ thin film using the technology used in making a thin electrode of lithium ion batteries and made the $^{10}B$ thin film for neutron detection using suggested method.

프로토 타입 조직등가비례계수기의 중입자가속기연구소의 135 MeV/u 탄소 이온에 대한 선형에너지 스펙트럼 측정

남욱원 ( Uk Won Nam ),이재진 ( Jae Jin Lee ),표정현 ( Jeong Hyun Pyo ),박원기 ( Won Kee Park ),문봉곤 ( Bong Kon Moon ),임창휘 ( Chang Hwy Lim2,),문명국 ( Myung Kook Moon ),하시시키다무라 ( Hisashi Kitamure ),신고고바야시 ( Shingo Kob 한국센서학회 2014 센서학회지 Vol.23 No.3

TEPC (Tissue Equivalent Proportional Counter) was usually used for high LET radiation dosimetry. We developed a prototype TEPC for micro-dosimetry in the range of 0.2~300 keV/μm. And, the simulated site diameter of the TEPC is 2 μm, of similar size to a cell nucleus. For purposes of characterization the response for high LET radiation of the TEPC has been investigated under 135MeV/u Carbon ions in HIMAC (Heavy Ion Medical Accelerator). We determined the gas multiplication factor and measured the lineal energy spectrum [yd(y)] of 135 MeV/u Carbon ions. The value of the gas multiplication factor was 315 at 700 V bias voltage. As a result of the experiment, we could more understand the performance of the TEPC for high LET (Linear Energy Transfer) radiation. And the procedure of high LET radiation dosimetry using TEPC is established.

컨테이너 검색을 위한 고속 후방산란 X-선 영상획득장치 개발

임창휘(Chang Hwy Lim),이정희(Jeonghee Lee),최영철(Youngchol Choi),박종원(Jongwon Park) 한국비파괴검사학회 2023 한국비파괴검사학회 춘계학술대회 초록집 Vol.2023 No.5

MCNP 기반의 CBCT 전산모사 시스템 개발

임창휘(Chang Hwy Lim),조민국(Min Kook Cho),한종철(Jong Chul Han),윤한빈(Hanbean Youn),윤승만(Seungman Yun),정민호(Min Ho Cheong),김호경(Ho Kyung Kim) 한국비파괴검사학회 2009 한국비파괴검사학회지 Vol.29 No.4

원추형 빔 단층촬영 시스템의 효과적인 모사를 위하여 상용 몬테칼로 코드인 MCNP를 기반으로 한 전산모사 시뮬레이터를 개발하였다. 기본적으로 Visual C++<SUP>®</SUP>를 이용하여 제작하였으며, 모델의 시각화를 위해 OpenGL<SUP>®</SUP> 라이브러리를 이용하여 개발하였다. 컴퓨터 단층촬영 시뮬레이션 수행을 위한 입력파일의 생성과 MCNP를 이용한 시뮬레이션 실행, 그리고 투과영상 생성과 단층영상 재구성을 수행할 수 있는 기능을 구현하였다. 개발한 시뮬레이터의 검증을 위하여 콘트라스트 팬텀(contrast phantom)에 대해 실험과 시뮬레이션을 수행하였다. 산란 엑스선, 영상센서의 잡음 및 픽셀 결함에 의한 structured noise 등을 시뮬레이션에서 고려하지 못했기 때문에 두 결과가 정확하게 일치하지는 않았으나, 매우 유사한 비교 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구를 통해 개발한 MCNP 기반의 CBCT 전산모사 시스템은 CBCT의 이해, 실제 시스템의 설계 및 제작시에 도움을 줄 것으로 기대된다. We have developed a computer simulator for cone-beam computed tomography (CBCT) based on the commercial Monte Carlo code, MCNP. All the functions to generate input files, run MCNP, convert output files to image data, reconstruct tomographs were realized in graphical user-interface form. The performance of the simulator was demonstrated by comparing with the experimental data. Although some discrepancies were observed due to the ignorance of the detailed physics in the simulation, such as scattered X-rays and noise in image sensors, the overall tendency was well agreed between the measured and simulated data. The developed simulator will be very useful for understanding the operation and the better design of CT systems.

컨테이너 차량의 핵물질 감시를 위한 중성자 감시기 개발에 관한 연구

임창휘(Chang Hwy Lim),박종원(Jong Won Park),이정희(Jeonghee Lee),문명국(Myung Kook Moon),김종열(Jongyul Kim),이수현(Suhyun Lee) 한국통신학회 2015 한국통신학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.06

선형시스템 전달이론을 이용한 간접변환방식 디지털 래디오그라피 디텍터의 신호 및 잡음 분석

윤승만,임창휘,한종철,조옥라,김정민,김호경,Yun, Seung-Man,Lim, Chang-Hwy,Han, Jong-Chul,Joe, Ok-La,Kim, Jung-Min,Kim, Ho-Kyung 한국의학물리학회 2010 의학물리 Vol.21 No.3

간접변환방식 CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) 엑스레이 디텍터 시스템의 성능 분석 및 개선을 위하여 공간주파수에 따른 DQE (detective quantum efficiency)를 모델링 하였다. 모델의 검증을 위하여 마모그라피 W/Al 선질에 대한 modulation-transfer function (MTF), noise-power spectrum (NPS)를 측정하고 이로부터 DQE를 계산하였으며, 모델과 측정된 DQE는 전체 공간주파수 영역에서 서로 잘 일치함을 확인하였다. 검증된 모델을 이용하여 형광스크린 양자효율 및 MTF, Swank 잡음, 포토다이오드 양자효율 등 CMOS 디텍터 시스템의 DQE 성능에 영향을 미칠 수 있는 다양한 디자인 파라미터의 역할을 살펴보았다. 엑스레이 디텍터 시스템의 신호 및 잡음 분석에 대해 이와 같은 선형시스템 전달을 이용한 이론적인 접근법은 이미 개발된 의료영상시스템을 이해할 수 있는 유용한 도구일 뿐만 아니라 새로운 디텍터 개발 및 최적화를 위한 도구로 활용될 수 있을 것이다. For the use of Indirect-conversion CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) detectors for digital x-ray radiography and their better designs, we have theoretically evaluated the spatial-frequency-dependent detective quantum efficiency (DQE) using the cascaded linear-systems transfer theory. In order to validate the developed model, the DQE was experimentally determined by the measured modulation-transfer function (MTF) and noise-power spectrum, and the estimated incident x-ray fluence under the mammography beam quality of W/Al. From the comparison between the theoretical and experimental DQEs, the overall tendencies were well agreed. Based on the developed model, we have investigated the DQEs values with respect to various design parameters of the CMOS x-ray detector such as phosphor quantum efficiency, Swank noise, photodiode quantum efficiency and the MTF of various scintillator screens. This theoretical approach is very useful tool for the understanding of the developed imaging systems as well as helpful for the better design or optimization for new development.

엑스선 화물 컨테이너 검사 스캐너 시스템의 초기 영상 분석

김준우(Junwoo Kim),임창휘(Chang Hwy Lim),박종원(Jong-Won Park),김호경(Ho Kyung Kim) 한국비파괴검사학회 2021 한국비파괴검사학회지 Vol.41 No.2

시험용 국내 개발 MV (megavoltage) 엑스선 화물 컨테이너 검사 시스템에서 획득한 초기 영상을 평가하였다. 미국표준협회(ANSI N42.48, 2008년) 및 국제전기표준회의(IEC 62523, 2010년)에서 제시하고 있는 빔 투과력, 와이어 검출능, 콘트라스트 감도 등을 팬텀 제작을 통해 측정하였다. 또한 디지털 라디오그래피에서 사용되고 있는 MTF (modulation-transfer function), NPS (noise-power spectrum)를 측정하였다. MTF는 강철와이어 스캔 영상으로부터 응답함수를 측정한 후 푸리에 도메인에서 해석하였으며, NPS는 빈 화물 컨테이너를 스캔한 영상의 푸리에 해석을 통해 분석하였다. 9 MV 빔에 대해 85 mm 두께의 테스트 철판 식별을 위한 투과력은 425 mm로 예측 되었으며, 배경 철판의 두께가 100 mm 이상에서는 직경 1.6 mm 이하의 와이어 검출이 어려웠고, 콘트라스트 한계는 약 10 % 정도로 평가되었다. 스캔 방향 MTF는 차단 주파수에서 약 12.5 %였으며, NPS는 공간 주파수에 무관하게 백색 스펙트럼 특성을 보였다. 보다 정량적인 해석을 위해서는 퀀텀 이미징 시스템에서의 콘트라스트 모델이 필요하며, 스캔 방향에 수직 방향인 디텍터 어레이 방향으로의 MTF 및 NPS 측정 및 분석이 필요할 것이다. We evaluated the initial images obtained from an MV (megavoltage) x-ray scanning system for cargo-container inspection. The images were analyzed in terms of beam penetration power, wire detectability, and contrast sensitivity by using home-made phantoms, following the guidelines provided by the American National Standards Institute (ANSI N42.48, 2008) and the International Electrotechnical Commission (IEC 62523, 2010). The MTF (modulation-transfer function) and NPS (noise-power spectrum), which are widely used for evaluating digital radiography images, were also included in the evaluation of scanned MV images using the steel wire and air scan images, respectively. For 9-MV beams, the penetration power was a 425-mm steel for identifying a steel plate with a thickness of 85 mm; the wire with a diameter of 1.6 mm was hardly detectable when the thickness of the background steel exceeded 100 mm. The contrast limit was expected to be about 10%. The scan-directional MTF indicated a value of approximately 12.5% at the Nyquist spatial frequency, and the NPS showed the spatial-frequency-independent white spectral characteristic. To conduct a more quantitative analysis of the MV scanned images, we aim to develop an analytic contrast model that is appropriate for quantum imaging and perform the MTF and NPS analyses along the direction perpendicular to the scan direction.