The electronic personal dosimeter is a device to measure the personal dose equivalent rate, $dot(H)_p(10)$, defined in the ICRU 39, 43, 47, for workers, residents or visitors in nuclear power plant or radiation facilities. A typical radiation sensor for an electronic personal dosimeter is an energy compensated radiation counter as Geiger Muller tube which is simple and convenient for real time dose or dose rate measurement though it cannot identify the energy of gamma radiation. In this study, the compact radiation sensor based on a CsI(Tl) scintillator and a silicon photo detector is suggested for the multi-purpose of the electronic personal dosimeter which has the best spectroscopic performance for the gamma energy range from 20 keV to 1.5 MeV. And the dose conversion algorithm to directly convert the measured energy spectra to the personal dose equivalent is also suggested for real time dosimetry by the electronic personal dosimeter based on the spectroscopic sensor. The optimal design of the compact radiation sensor was estimated by the angular response and the figure of merit defined as the absolute detection efficiency over the relative energy resolution. The tapered cylinder structure with the diameter of 5 mm, the total length of 5 mm and the tapered head length of 1 mm was decided as the optimum structure of the CsI(Tl) scintillator for the $9 mm^2$ of the active area of the silicon photo detector. The dose conversion algorithm calculates the approximate $H_p(10)$ by multiplying the spectral bin counts with direct dose conversion coefficient for each spectral bin, and adding the all products of spectral bins. It has the advantages for real time dosimetry while measuring the energy spectra by single spectroscopic sensor. So the electronic personal dosimeter based on the compact radiation sensor and the dose conversion algorithm can expand the purpose of the electronic personal dosimeter.
전자식 개인 선량계는 방사선 작업 종사자나 피폭 가능성이 있는 일반인들의 개인 선량률인 $dot(H)_p(10)$ 을 측정하기 위한 장비이다. 일반적인 개인 선량계는 에너지 보상형 카운팅 센서인 GM-tube를 이용하여 측정한 카운트에 선량변환인자를 곱하여 개인 선량을 계산하지만, 이러한 센서는 방사선 에너지의 구분을 할 수 없다는 한계점이 있다. 본 연구에서는 CsI(Tl) 섬광체와 실리콘 포토 다이오드를 결합한 센서를 이용하여 에너지 스펙트럼 측정을 할 수 있는 초소형 방사선 센서를 개발하고, 이 센서를 이용하여 측정한 에너지 스펙트럼을 개인 선량으로 실시간 변환할 수 있는 선량 변환 알고리즘을 개발하였다. 이때 측정하고자 하는 방사선은 20keV 부터 1.5 MeV 사이의 감마선과 엑스선을 목표로 하였다.
초소형 방사선 센서의 최적 구조는 절대 검출효율과 상대 에너지 해상도사이의 함수와 각 반응성을 이용하여 결정하였다. 섬광체의 지름이 5mm 일 때 최적 구조의 총 길이는 5mm 이고 섬광체 끝부분의 기울어진 길이는 1mm로 결정 되었다. 이러한 구조의 스펙트로스코피 센서를 이용하면 방사선 반응의 등방성을 유지한 채 최대의 figure of merit을 갖는 것을 확인하였다. 선량 변환 알고리즘은 에너지 스펙트럼에 누적된 각 빈 카운트에 DDCC (Direct dose conversion coefficient) 를 곱하고 이를 전체 스펙트럼에 대해 반복한 뒤 모두 합하여 에너지 스펙트럼의 형태에 대한 $dot(H)_p(10)$ 의 근사값을 계산한다. DDCC의 결정은 섬광체의 방사선 에너지 별 검출 효율과 fluence to $dot(H)_p(10)$ conversion factor의 함수, 그리고 가상의 감마에너지를 빈 에너지 별로 부여하여 결정할 수 있다. 그리고 최종적으로 계측 시스템의 특성으로부터 발생할 수 있는 오차를 보정하여 개인 선량 계산의 정확도를 향상 시킨다. 이러한 과정으로 결정된 DDCC를 이용하여 개인 선량을 계산하면, 측정하고자 하는 전체 방사선 에너지에 대해 IEC에서 권고하는 전자식 개인선량계의 최대 허용오차인 $pm 30%$ 이내를 만족하는 것을 확인하였다.
본 연구를 통해 전자식 개인 선량계용 초소형 스펙트로스코피 센서와 선량 변환 알고리즘을 이용하면 에너지 스펙트럼 측정과 실시간 개인 선량 계산을 단일 센서로 수행할 수 있기 때문에 기존 전자식 개인 선량계의 목적 다변화가 가능함을 확인하였다. 그리고 선량 변환 알고리즘을 이용하면 넓은 범위의 방사선 에너지에 대한 개인 선량 계측의 정확도 향상에 기여 할 수 있음을 확인하였다.
