Gamma spectroscopy is used to determine the identity and quantity of gamma-emitters in nuclear physics, geochemistry and astrophysics. The scintillation detectors are being used as a gamma spectrometer generally, because of their higher gamma-ray detection efficiency and cheaper price than germanium semi-conductor detectors. A typical scintillation detector is composed of a scintillator, a window, and a photodetector. The photomultiplier (PM) tube has been the most widely used as a photodetector because of its advantages like high sensitivity, high signal-to-noise ratio, and wide dynamic range. Recently, the Silicon Photomultiplier (SiPM) is being studied as a substitute of PM tube. The SiPM has almost same performance compared to PM tube but it has additional advantages; low operating voltage, small volume, and cheap production cost.
In this research, the gamma spectrometer using SiPM instead of PM tube is developed. The use of SiPM as a photodetector makes the gamma spectrometer smaller, cheaper, easier to use. For photon transport and collection from the large area scintillator to the small area SiPM, a light guide is applied in this gamma spectrometer system. Before fabrication of light guide, DETECT simulation is performed to study and prospect characteristics of light guide structure. And actual light guides are fabricated on the basis of this simulation result. Poly(methyl methacrylate) (PMMA) is chosen as material of light guide, 5 sample light guides are fabricated in different lengths and coatings. As a scintillator crystal, same NaI(Tl) crystal is chosen. For measurement and analysis of gamma spectrometer system, 3 gamma spectrometer systems are composed; PM tube-based system, PM tube-based system with the light guide, SiPM-based system with the light guide. Through comparison between the results of each gamma spectrometer, the performances of gamma spectrometer system are analyzed by each component. Measurement results of the second system is well matched with DETECT simulation results. Degrading of energy resolution due to light guide is 4~8% at 662 keV. Photon loss during transport in the light guide is the main reason of this degrading. This degrading can be reduced by more reflective coating. When applying the light guide and the SiPM both in the third system, the best energy resolution is 25% at 662 keV. Considering resolution degrading due to light guide, degrading due to SiPM is about 10%. The main cause is the difference between pixels of SiPM array, and summing of signal from each pixel makes noise level high. It can improve through gain adjustment and preamplifier circuit for SiPM array. Developed gamma spectrometer has limited performance for special conditions, but it has possibility to be better and new type of gamma spectrometer.
감마선 분광법은 핵물리학, 방사선 공학, 지구화학, 천체물리학 등의 분야에서 감마선원의 종류와 그 양을 측정하는데 이용되고 있다. 일반적인 감마선 분광법에서는 감마선 검출 효율이 높고, 가격이 저렴한 섬광체 기반의 감마 스펙트로미터가 이용된다. 일반적인 섬광체 기반의 감마 스펙트로미터는 섬광체, 얇은 윈도우, 그리고 광검출기로 구성된다. 지금까지는 광검출기로 높은 민감도, 좋은 신호대잡음비, 넓은 검출 범위 등의 특성을 가진 진공관 기반의 광전자증배관(PM tube)가 가장 많이 이용되고 있다. 최근 활발히 연구 개발되고 있는 실리콘 광전자증배소자(SiPM)은 기존의 광전자증배관(PM tube)와 비슷한 성능을 보이면서도 낮은 동작 전압, 작은 부피, 저렴한 가격 등의 장점을 지니고 있어, 광전자증배관의 이상적인 대체 후보자가 될 것으로 예상하고 있다.
이 연구는 이 실리콘 광전자증배소자(SiPM)을 이용한 감마 스펙트로미터의 개발을 목적으로 하였다. 실리콘 광전자증배소자를 감마 스펙트로미터의 광검출기로 이용하게 됨으로써 감마 스펙트로미터의 크기와 무게가 줄어들고, 더 저렴한 가격으로, 대중적으로 이용하기 쉽게 될 것으로 기대한다. 감마선 검출 효율을 유지하기 위해서 기존 감마 스펙트로미터에서와 같은 섬광체를 이용하면서 동시에 면적이 훨씬 작은 실리콘 광전자증배소자로 빛을 모아주기 위하여 광가이드(light guide)가 적용되었다. 광가이드의 특성을 알고 설계하기 위하여 DETECT코드를 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였고, 시뮬레이션 결과를 참고하여 실제 광가이드를 제작하였다. 광가이드는 PMMA, 우리가 흔히 아크릴이라 부르는 재질로, 길이와 표면 코팅을 다르게 하여 5개의 표본이 제작되었다. 섬광체로는 기존 감마 스펙트로미터에서와 동일한 NaI(Tl) 섬광체를 이용하였다. 감마 스펙트로미터로서의 성능을 측정, 분석하기 위해 기존 광전자증배관(PM tube)을 이용한 감마 스펙트로미터, 광전자증배관에 광가이드를 적용한 감마 스펙트로미터, 실리콘 광전자증배소자와 광가이드를 동시에 적용한 감마 스펙트로미터, 3가지의 감마 스펙트로미터가 제작되었다. 측정 결과, 제작된 광가이드의 특성은 DETECT시뮬레이션 결과와 잘 부합되었고, 광가이드로 인한 에너지 분해능 저하는 662keV 에너지에서 4~8%정도였다. 광가이드를 이용하여 광자를 모으는 과정에서 생기는 광자 손실이 에너지 분해능 저하의 원인이다. 더욱 반사율이 높은 코팅을 이용한다면 에너지 분해능 저하를 줄일 수 있다. 실리콘 광전자증배소자와 광가이드를 모두 적용한 감마 스펙트로미터에서 가장 좋았던 에너지 분해능은 662keV 에너지에서 25%였다. 광가이드로 인해 저하된 몫을 생각한다면, SiPM으로 인한 에너지 분해능 저하는 약 10% 정도이다. 원인은 실리콘 광전자증배소자 픽셀들이 균일하지 않고, 각 픽셀에서 나오는 신호들을 더하는 과정에서 신호대잡음비가 낮아졌기 때문이다. 이 부분은 각 픽셀들간의 증폭 조절과 전치증폭기를 이용하여 개선될 수 있을 것이다. 연구에서 제작된 실리콘 광전자증배소자를 이용한 감마 스펙트로미터는 비록 특수한 목적으로만 이용될 수 있는 제한된 성능을 보였지만, 충분히 개선되어 생활에 응용될 수 있을 가능성을 지니고 있다.
