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부호화 구경 기반의 휴대용 이중입자 영상장비 개발

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Alternative Title
Development of a Coded Aperture Based Hand-held Dual Particle Imager
Abstract
Dual particle imaging, in which both neutrons and gamma-rays in the environment can be individually characterized, is particularly attractive for monitoring mixed radiation emitters such as special nuclear materials (SNM). An effective SNM localization and detection benefits from high instrument sensitivity so that real-time imaging or imaging with a limited number of acquired events is enabled. For portable applications, one also desires a dual particle imager (DPI) that is readily deployable. We have developed a hand-held type DPI equipped with a pixelated stilbene-silicon photomultiplier (SiPM) array module and low sampling-rate analog-to-digital converters (ADCs) processed via a multiplexed readout. The stilbene-SiPM array (12 × 12 pixels) is capable of effectively performing pulse shape discrimination (PSD) between gamma-ray and neutron events and neutron/gamma-ray source localization on the imaging plane, as demonstrated with 252Cf neutron/gamma and 137Cs gamma-ray sources. The low sampling rate ADCs connected to the stilbene-SiPM array module result in a compact instrument with high sensitivity that provides a gamma-ray image of a 137Cs source, producing 6.4 μR/h at 1 m, in less than 69 seconds. A neutron image for a 3.5 × 105 n/s 252Cf source can also be obtained in less than 6 minutes at 1 m from the center of the system. The instrument images successfully with field of view of 50° and provides angular resolution of 6.8°.
This study also illustrates a positive effect of a large light-absorption area in a photodetector, such as a SiPM array, on the PSD performance despite the use of ADCs that have a low bit resolution (12 bit) and a low sampling rate (50 MHz). To the best of our knowledge, there have been few studies on how to improve a degraded capability of discrimination between the gamma-ray and neutron pulses in DPI systems that mount a pixelated scintillator array. With improved PSD performance in the pixelated array sensor module of the DPI system, gamma-ray and neutron events can be used as much as possible for the reconstruction of gamma-ray and neutron images, respectively, enabling rapid image acquisition.
Author(s)
부지환
Issued Date
2022
Awarded Date
2022. 2
Type
Dissertation
URI
https://dcoll.jejunu.ac.kr/common/orgView/000000010502
Alternative Author(s)
Boo, Ji Hwan
Affiliation
제주대학교 대학원
Department
대학원 에너지응용시스템학부 에너지화학공학전공
Advisor
정만희
Table Of Contents
1. 서 론 1
1.1 배경 및 필요성 1
1.2 연구범위 2
2. 휴대용 이중입자 영상장비 구축 3
2.1 개념과 시스템 개요 3
2.2 이중입자 영상장비(DPI)의 검출 원리 4
2.2.1 감마선 검출 4
2.2.2 중성자 검출 6
2.2.3 신호 파형 구별법(PSD) 8
2.3 시스템 구조와 구성 11
2.3.1 픽셀화 된 스틸벤과 플라스틱 유기섬광체 어레이 11
2.3.2 광센서 어레이 13
2.3.3 신호 처리 하드웨어 구축 15
2.4 부호화 구경 제작 및 영상 재구성 기법 19
2.4.1 부호화 구경 제작 방법 19
2.4.2 방사선 영상 재구성 방법 20
3. 이중입자 영상장비 실험 결과 및 해석 21
3.1 스틸벤과 플라스틱 섬광체의 성능 비교 21
3.1.1 인가된 전압에 따른 플라스틱-SiPM 어레이와 스틸벤-SiPM 어레이 모듈의 반응 위치 분해능 비교 21
3.1.2 인가전압과 Rf의 변화에 따른 플라스틱-SiPM 어레이와 스틸벤-SiPM 어레이 모듈의 PSD 성능 비교 23
3.1.3 최적화된 조건에서의 중성자 영상과 감마선 영상의 획득에 필요한 시간 측정 28
3.1.4 개선점 논의 32
3.2 SiPM 어레이의 광 흡수 면적에 따른 픽셀화된 스틸벤 어레이의 성능 비교 33
3.2.1 에너지 교정 및 SiPM 어레이의 광흡수 면적에 따른 반응 위치 분해능 비교 33
3.2.2 SiPM 어레이의 광흡수 면적에 따른 PSD 성능 비교 36
3.2.3 SiPM 어레이의 광흡수 면적에 따른 중성자와 감마선의 영상 획득에 필요한 시간 비교 39
3.2.4 개선점 논의 42
4. 결론 및 시사점 43
참고문헌 44
Degree
Master
Publisher
제주대학교 대학원
Appears in Collections:
Faculty of Applied Energy System > Energy and Chemical Engineering
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