상온 반도체 검출기 CZT에서 오름 시간을 이용한 감마선 반응위치의깊이 측정 = The measurement of interaction depths for interaction positions of gamma rays using rise time in a room-temperature CZT semiconductor detector

국문 초록 (Abstract)

컴프턴 카메라는 개발에 필수적인 산란부와 흡수부의 위치 민감형 감마선 검출기술이 확립되어 있지 못하여 아직 상용화 단계에 이르지 못하고 있다. 위치 민감형으로 개발된 16 픽셀 CZT 검출기는 정공의 트랩효과로 인해 에너지 분해능이 낮다는 단점을 가지고 있다. 이 단점을 개선하기 위해 감마선 추적 기술을 연구하던 중 감마선 산란 순서 결정 방법을 개발하게 되었고 여기에 반드시 필요한 부분이 반응 위치의 깊이에 대한 정보를 오름 시간을 통해 결정하는 것이다. 본 실험에서는 깊이와 오름 시간과의 관계를 검증해 보았다.
CZT 검출기의 측면에 텅스텐 집속기를 이용하여 3 군데의 서로 다른 깊이 위치를 설정하여 감마선을 입사시켜 90도 컴프턴 산란된 감마선이 NaI(Tl) 섬광검출기에서 동시에 검출되는 동시계수 이벤트를 디지털 방식으로 기록하였다. 이 이벤트들 중 시간차 스펙트럼을 분석하여 두 검출기에서 나오는 신호의 시간차이가 일정한 신호만을 분류하고 다시 두 검출기에서 측정된 에너지 합을 구하여 입사된 감마선의 에너지와 일치하는 동력학적 조건을 가하여 이를 만족하는 이벤트를 기록했다. 이렇게 얻어진 이벤트에 대한 신호파형 분석을 통하여 서로 다른 깊이에 해당하는 신호의 오름 시간들을 구했다. 그 결과 측정한 값이 예상한 값과 실험 장치의 시간 분해능 내에서 일치함을 확인 할 수 있었다. 따라서 개발한 감마선 추적 기술을 CZT 검출기에 사용 할 수 있으며 그로 인해 낮은 에너지 분해능의 약점이 보완되었다. 결론적으로 CZT 검출기를 컴프턴 카메라의 흡수부 검출기로 사용 가능한지를 본 실험을 통해 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Compton camera has not been commercialized yet because technology for position-sensitive gamma-ray detection is not established to date. Position-sensitive 16-pixel CZT detectors poor energy resolution due to the hole trapping effect is unavoidable. The gamma-ray tracking technique has been studied to improve such a disadvantage. In the present study we studied a gamma-ray tracking method which can be used to determine interaction positions of gamma rays. This method needs interaction depths extracted from information on risetime of a pulse. We performed experiments to find relationship between depths and rise time.
Three different depth positions were set using a collimator made of tungsten placed on the side face of the CZT detector. Gamma rays scattered in 90 degrees out of the CZT detector were detected by a NaI(Tl) scintillator in coincidence. Events satisfying the kinematic condition that the summed energy should be equal to the energy of incidence gamma rays were sorted out among digitally recorded coincidence events falling within a coincidence window. Rise times corresponding to three different depths were found for these events through pulse shape analysis. Results showed that experimental data were in good accord with theoretical values within time resolution of the present detection system. It is concluded that the gamma-ray tracking method can be applied to a CZT detecter and also could compensate for the weakness of the poor energy resolution of the CZT detector, thereby confirming CZT detectors as feasible candidates for Compton camera.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 3
• 2.1 컴프턴 카메라 3
• 2.1.1 컴프턴 산란 3
• 2.1.2 기하학적 해석 5
• 2.2 감마선 추적 기술 7
• 2.2.1 감마선 산란 순서 결정 7
• 2.2.2 감마선 반응 깊이 결정법 10
• 3. 실험 및 결과 13
• 3.1 실험 설계 13
• 3.2 검출기의 energy calibration(에너지 보정) 16
• 3.3 이론식을 통한 반응 깊이와 오름 시간과의 관계 19
• 3.4 실험 진행 21
• 3.5 결과 및 분석 24
• 4. 결론 49
• 참고문헌 50
• 국문초록 52
• Abstract 54